云數(shù)據(jù)中心SoC革新IP如何成全
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- 發(fā)布時間:2020-09-13 16:34
All in Cloud已然勢不可擋。憑借云計算的彈性擴容、按需使用、按量付費等優(yōu)勢,云數(shù)據(jù)中心正在蠶食傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的領(lǐng)地。據(jù)Cisco 全球云指數(shù)測算,“到2021年,94%的工作負(fù)載和計算實例都將在云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理”。
相應(yīng)地,為提升云數(shù)據(jù)中心的效率和性能,正激發(fā)計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演變,如AI加速器、軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN)、通信網(wǎng)絡(luò)處理器和固態(tài)硬盤 (SSD) 存儲都已蔚然興起,推動著下一代SoC 的“革新”,特別是底層IP的“煥新”。
SoC融合計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)“新趨勢”
在數(shù)據(jù)洪流之下,融合基礎(chǔ)架構(gòu) (CI) 或超融合基礎(chǔ)架構(gòu) (HCI) 系統(tǒng)通過將計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)三大核心整合到同一套解決方案當(dāng)中,得以在云數(shù)據(jù)中心大規(guī)模快速部署。
而用于構(gòu)建CI和HCI系統(tǒng)的SoC,一直面臨如何向計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)的新動向不斷優(yōu)化的挑戰(zhàn)。
在計算部分,AI加速器擔(dān)當(dāng)重任,以完成深度學(xué)習(xí)處理海量數(shù)據(jù)的任務(wù)。為此,AI加速器需權(quán)衡高性能、低功耗以及對緩存一致性的需求,集成多核互連的高帶寬接口,以實現(xiàn)異構(gòu)處理,并滿足可靠性、可用性、可維護(hù)性要求。
存儲方面的升級,則依仗基于PCIe的NVMe SSD方案,其不僅可以降低功耗和成本,還可最大限度地減少系統(tǒng)硬件空間占用,成為存儲應(yīng)用的理想選擇。而CI和HCI系統(tǒng)除使用基于PCIe的NVMe SSD進(jìn)行數(shù)據(jù)存取加速外,還可使用PCIe交換架構(gòu)來加速用于AI應(yīng)用程序的主機處理器。
此外,軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)通過將控制流與數(shù)據(jù)流分離來實現(xiàn)簡化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)這一目的。OpenFlow等通用軟件棧提供了全行業(yè)一致的軟件環(huán)境來控制CI和HCI系統(tǒng)。這要求SoC可借助運行OpenFlow管理的數(shù)據(jù),使用戶輕松地虛擬配置網(wǎng)絡(luò),無需實際訪問硬件。
值得注意的是,經(jīng)過融合的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要性能最高的DRAM解決方案,才能在主機處理器上運行虛擬應(yīng)用程序。而云計算行業(yè)正從DDR4 DRAM過渡到新一代DDR5和HBM2 DRAM,SoC架構(gòu)師通常會針對高帶寬應(yīng)用選擇HBM2存儲器,針對大容量應(yīng)用選擇 DDR5,或結(jié)合使用這兩種存儲器類型來兼得高帶寬和大容量。
萬象歸一,放眼計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)的新趨勢指向,融合AI加速器、網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)處理器和存儲應(yīng)用等“一個都不能少”的SoC,顯然需要底層架構(gòu)IP方面的“配合”才能得以成全。
IP的“組合拳”
正如新思科技(Synopsys)高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Ron DiGiuseppe所指,這需要全新的IP組合,以適配SoC對應(yīng)的高性能。
這類新型SoC不僅涉及眾多的IP,如AI加速器IP、高級存儲器IP、接口IP、NVMe SSD 和緩存一致性加速器等,同時均要著力優(yōu)化實現(xiàn)高性能、低延遲和低功耗。
應(yīng)對這一需求,在IP領(lǐng)域擁有深厚積累和方法論的新思開發(fā)的DesignWare接口IP、處理器IP和基礎(chǔ)IP等,通過不斷的創(chuàng)新和優(yōu)化,實現(xiàn)了無縫的精準(zhǔn)對接。
針對AI加速器,新思的IP不斷優(yōu)化,可匹配所需的快速處理、加速和內(nèi)存性能的高要求。
新思DesignWare IP還可提供廣泛的高性能接口IP選擇,包括DDR、USB、PCI Express、CXL、CCIX、以太網(wǎng)和HBM2/2E,可全面滿足網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。同時,還可通過AMBA與大量外圍組件以可配置的方式互連,提升了設(shè)計靈活性,并最大限度降低了設(shè)計復(fù)雜性。
面向存儲的DesignWare IP也深懷絕技,具備高性能、低延遲PCIe控制器和PHY支持高達(dá)32GT/s的數(shù)據(jù)速率,同時支持基于NVMe的SSD。包括以太網(wǎng)、USB、PCIe 和DDR的接口IP組合提供了低延遲和高速讀寫操作。
特別值得一提的是,這些IP已通過硅驗證,支持最先進(jìn)的7nm以及5nm FinFET工藝。
高吞吐量Die-to-Die PHY IP的“進(jìn)階”
伴隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高和功能的日趨復(fù)雜,SoC的大小也與日俱增,已接近最大光罩尺寸。為此,在多芯片模塊MCM封裝中將SoC劃分為較小的模塊,通過Die-to-Die互連日漸盛行。
相應(yīng)地,Die-to-Die互連要求也相當(dāng)嚴(yán)苛,在超短和極短距離鏈路中需實現(xiàn)低延遲、低功耗和高吞吐量,進(jìn)而推動了對高吞吐量Die-to-Die PHY的需求。
新思高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Manuel Mota對此解釋道,如能為Die-to-Die連接選擇理想的高速PHY,就可簡化MCM封裝要求,因而選擇合適的PHY IP至關(guān)重要。“考量用于MCM的Die-to-Die連接的高速PHY IP方案,必須考慮基本的關(guān)鍵特性,包括數(shù)據(jù)吞吐量或帶寬、能源效率、延遲、最大傳輸距離以及誤碼率等,同時在模塊布局層面加以優(yōu)化,以實現(xiàn)低耦合的高效芯片間布線,優(yōu)化芯片和MCM面積,并最終提高功耗效率。” Manuel Mota詳細(xì)解說道,“如每通道最大112Gbps帶寬、支持TX和RX之間50毫米的最長距離、能效好于每比特1皮焦耳等。”
在這一領(lǐng)域不斷精進(jìn)的新思,開發(fā)的DesignWare USR/XSR PHY IP開始供貨,不僅符合用于超短距離和極短距離鏈路的OIF CEI-112G和CEI-56G標(biāo)準(zhǔn),而且每通道的數(shù)據(jù)速率高達(dá)112 Gbps。
而面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的112G Ethernet PHY方案同樣受歡迎,可以快速、可靠地整合進(jìn)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心SoC中。新思的全新DesignWare 112G Ethernet PHY IP,采用臺積電7nm工藝,支持真正的長距離傳輸,可用于高達(dá)800G的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,為其云計算應(yīng)用IP組合再添重彩。
它的優(yōu)勢顯而易見:新思流片驗證的56G Ethernet IP,為光纜、銅纜和背板互連提供超過35dB的信道損耗補償;支持該IP核布局優(yōu)化,在芯片上進(jìn)行各種堆疊和放置,顯著提高帶寬;每個通道數(shù)據(jù)速率可獨立配置,靈活地滿足各種協(xié)議和應(yīng)用的需求;支持基于ADC和DSP架構(gòu)的功率調(diào)節(jié)技術(shù),在低損耗信道時使功率降低20%??傊?,那就是可全部滿足應(yīng)用的高吞吐量需求,同時顯著降低集成風(fēng)險。
5nm的“榮光”
在代工巨頭臺積電和IP領(lǐng)導(dǎo)廠商新思等的引領(lǐng)下,制程正邁向5nm時代,讓SoC的更高性能、更低功耗成為可能。
而新思的IP亦在5nm節(jié)點實現(xiàn)了新的突破。
DesignWare IP核和臺積電5nm制程的結(jié)合,不僅加速高端云計算、AI加速器、網(wǎng)絡(luò)和存儲應(yīng)用的SoC開發(fā),還可使設(shè)計人員能夠滿足設(shè)計性能、功耗和面積要求,同時降低集成所涉及的風(fēng)險。可以說,這是一個新的跨越。
“新思采用臺積電先進(jìn)制程技術(shù)的DesignWare IP,可幫助設(shè)計人員迅速將關(guān)鍵的功能融入設(shè)計,實現(xiàn)一次性流片成功。同時受益于臺積電最先進(jìn)的5nm制程,實現(xiàn)了顯著的功耗降低和性能提升。”臺積電設(shè)計基礎(chǔ)架構(gòu)行銷事業(yè)部資深經(jīng)理Suk Lee對此充滿信心。
新思IP營銷和戰(zhàn)略高級副總裁John Koeter也強調(diào)說,新思在臺積電5nm工藝上提供業(yè)界豐富的接口和基礎(chǔ)IP組合的舉動,將助力客戶加快開發(fā)高性能計算SoC,迎接云計算未來的挑戰(zhàn)。
顯然,這不只是IP的進(jìn)化,更是SoC設(shè)計廠商未來勝利的伏筆。
