电子工程世界：片上网络技术的发展及其给高端FPGA带来的优势( 二 )

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图5 典型的片上网络NoC结构
3. NoC在高端FPGA的应用
FPGA在日益增长的数据加速需求上正在发挥越来越重要的作用。为了满足云计算和边缘计算中各种高性能应用的需求， FPGA作为一种可编程可定制化的高性能的器件逐步成为一条部署高吞吐量数据加速的快捷途径。但同时这些高性能的加速应用也对高端FPGA提出了更高的要求，高算力、高带宽的数据传输以及高带宽的存储器。
片上网络技术已经比较广泛的用于SoC中，并取得了比较好的效果。近年来才慢慢用于FPGA中， Achronix创建了一种可最大限度地提高系统吞吐量的Speedster 7t FPGA芯片，创新地将二维片上网络（2D NoC）运用到了FPGA中，可以在逻辑阵列内的处理单元与各种片上高速接口和存储器接口之间高速地传输数据，真正实现了数据密集型应用吞吐量的最大化。有了片上网络的FPGA如虎添翼，带来了传统FPGA所不及的很多优势，势必在各种数据加速应用中发挥巨大的作用。
4. NoC给Speedster 7t FPGA带来的优势
Achronix Speedster 7t FPGA拥有支持单通道速率112Gbps的SerDes、400G以太网MAC、PCIe GEN5控制器以及带宽高达4Tbps带宽的GDDR6控制器，为各种数据加速应用提供了高带宽的I/O接口和高带宽的存储器。在这类应用中，会有大量的数据进入FPGA进行处理，处理后的数据会通过FPGA输出，所以除了FPGA算力以外，数据移动速度直接决定了器件的性能以及用户的体验。为了提高数据传输速率， Achronix在Speedster 7t FPGA中专门设计了不同于传统FPGA数据移动通道的片上网络。如图6所示。这是一个可横跨和垂直跨越FPGA逻辑阵列的创新性的、高带宽的二维片上网络（2D NoC），它不仅可以连接到所有FPGA高速接口、高带宽存储器接口，还可以作为内部逻辑之间的互连。

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图6 Speedster 7t片上网络（NoC）结构
Speedster 7t FPGA上的二维片上网络（2D NoC）不是由可编程逻辑搭建，而是固化的ASIC逻辑实现，固定运行频率为2GHz ，每一行或者每一列的NoC都可以作为两个单向256位实现双向的通路，所以每个方向可提供512Gbps的带宽，整个网络总带宽则能达到27Tbps 。
下面的表格列出了Speedster 7t FPGA中NoC的特性。
表1 Speedster 7t FPGA中NoC特性

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NoC为FPGA提供了以下几项重要优势：
大幅提高设计性能，解决一些高性能应用如400G以太网的性能瓶颈：通常在数据流经过400G以太网MAC解包以后会是一个超高位宽且需要运行在很高频率的处理，这在传统FPGA逻辑单元里面是无法实现的，而NoC就能解决性能瓶颈。我们会在后续文章具体说明。
NoC是在传统可编程逻辑之外额外增加的走线资源，所以在高资源占用设计中可以降低布局布线拥塞的风险。
NoC包含了异步时钟转换，仲裁控制等逻辑，可以去替代传统的逻辑去做高速接口和总线管理等，所以利用NoC可以简化用户设计节省一部分传统资源(LE、FIFO和布线等)的使用。
NoC部分是ASIC固化逻辑，功耗比传统的FPGA可编程逻辑实现要低很多。
【电子工程世界：片上网络技术的发展及其给高端FPGA带来的优势】利用NoC可以实现真正的模块化设计。传统高端FPGA设计通常是需要一个FPGA工程师团队来完成，每个工程师设计自己模块，在FPGA整个芯片里调试验证自己模块，然后再把各个模块连接成更大的完整设计，这时候会由于资源占用上升，通常需要花很多时间去优化布局甚至去修改设计以达到目标性能。而在Achronix Speedster7t 中可以让模块之间通过NOC互联，再借助对于单个模块功能性能调试完成后固定布局技术，甚至可以达到NoC互联后整体设计不需要额外联调的可能。这样可以大幅减少研发工作量和时间。