在日前召開的FPGA領(lǐng)域的學(xué)術(shù)頂會--2019年“FPGA國際研討會”上，賽靈思發(fā)表了兩篇長論文，詳細介紹了賽靈思“自適應(yīng)計算加速平臺”ACAP的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)細節(jié)。本文將對ACAP的主要架構(gòu)創(chuàng)新進行深入解讀，讓各位先睹為快。

ACAP是賽靈思在2018年推出的新一代計算平臺。在發(fā)布伊始，賽靈思新任掌門人Victor Peng就再三強調(diào)，ACAP并不是FPGA，而是整合了硬件可編程邏輯單元、軟件可編程處理器、以及軟件可編程加速引擎的計算平臺產(chǎn)品，是賽靈思“發(fā)明FPGA以來最卓越的工程成就”，足可見這個產(chǎn)品系列的重要性。

與其說ACAP是某種具體的芯片產(chǎn)品，不如說它像FPGA一樣，代指一種芯片架構(gòu)。而賽靈思這次發(fā)表的論文，主要介紹的是基于ACAP架構(gòu)的首款產(chǎn)品，名為Versal，并將基于臺積電的7納米工藝制造。相比傳統(tǒng)的FPGA架構(gòu)，Versal ACAP在系統(tǒng)架構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)、互聯(lián)方式等很多方面進行了大膽革新，這也是本文將要討論的重點。

芯片架構(gòu)

Versal ACAP的芯片布局如下圖所示?？傮w來看，它與傳統(tǒng)FPGA結(jié)構(gòu)非常類似，主要包含可編程邏輯部分、高速I/O與收發(fā)器、嵌入式處理器、存儲器控制等FPGA的常見硬件資源與模塊。

值得注意的是，ACAP架構(gòu)與傳統(tǒng)FPGA有兩點主要區(qū)別：

芯片頂端（北側(cè)）包含了AI加速引擎陣列，它們主要用來加速機器學(xué)習(xí)和無線網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中常見的數(shù)學(xué)計算。然而，關(guān)于AI引擎的具體結(jié)構(gòu)，在這篇論文中并未提及。

在傳統(tǒng)FPGA片上互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上，ACAP采用了固化的片上網(wǎng)絡(luò)（NoC），這主要是針對高帶寬、高吞吐量的應(yīng)用場景，如存儲器控制和AI應(yīng)用等，在上圖中也可以清晰的看到NoC與這些應(yīng)用模塊的緊密互聯(lián)。

關(guān)于NoC的具體技術(shù)細節(jié)，在本次會議有另外一篇論文進行詳細闡述，見下圖。本文將對其進行簡單概述，并會在下篇文章中深入解析。

除NoC以外，ACAP選擇將很多常用的IP固化在芯片上，以提高性能、穩(wěn)定性，并減少額外的可編程邏輯資源的使用。除了常見的PCIe、DDR控制器、以太網(wǎng)MAC之外，ACAP還選擇將嵌入式處理器和芯片管理單元進行固化，這令人有些意外。

在論文中介紹，在亞馬遜AWS F1實例中使用的片上管理單元占據(jù)了芯片面積的很大部分，如下圖所示，而這也是賽靈思選擇在ACAP上對這類邏輯進行固化的主要原因。

在可編程芯片上固化邏輯其實是一把雙刃劍，在提升性能和降低邏輯單元使用率的同時，犧牲的是被固化單元的靈活性。因此，往往只會選擇固化已經(jīng)由成熟標準的邏輯單元，比如上文提到的通信接口與內(nèi)存控制器等。對于芯片管理單元，固化后是否仍能適用于不同的應(yīng)用場景？是否比集成ARM等硬核處理器更有效？這些問題就需要通過實際使用得到答案。

Versal ACAP架構(gòu)的一個主要的創(chuàng)新之處，就是采用了非常規(guī)整的可編程邏輯陣列和時鐘域分布。老石之前曾介紹過一種名為“Overlay”的FPGA虛擬化技術(shù)，它的本質(zhì)就是在FPGA的硬件層之上，抽象出一層虛擬的Overlay結(jié)構(gòu)，如下圖所示。Overlay層基于CGRA等規(guī)整的邏輯結(jié)構(gòu)，對應(yīng)用層非常友好，但對不規(guī)整的FPGA底層架構(gòu)而言，實現(xiàn)起來勢必會造成資源的浪費和性能的損失。

ACAP架構(gòu)采用了更加規(guī)整的可編程邏輯陣列，以及分布均勻的時鐘域，理論上這是極其有用的創(chuàng)新，特別是對于布局布線后的設(shè)計而言。通過這種方式，使得IP接口可以復(fù)用，即把一個IP從一個位置挪到另一個位置時，不需要對整個設(shè)計重新編譯，只需要單獨處理修改的部分即可。

更重要的是，這使得用戶可以重復(fù)使用已經(jīng)完成布局布線的“半成品”或“模板”，只需要在事先保留的區(qū)域內(nèi)加入新設(shè)計即可，這樣可以極大的減少編譯時間。這個創(chuàng)新與目前FPGA已有的劃分可編程區(qū)域等技術(shù)類似，但更進一步。只可惜，在這篇論文中沒有給出這個創(chuàng)新的任何實例或數(shù)據(jù)，因此很難確定這項技術(shù)是否已經(jīng)實現(xiàn)，還是僅僅停留在理論層面。

CLB微結(jié)構(gòu)

CLB是可編程邏輯塊的縮寫，它包含了多個可編程邏輯單元及其互聯(lián)。與傳統(tǒng)FPGA相比，Versal ACAP對它的CLB微結(jié)構(gòu)進行了重大革新，用“翻天覆地”來形容也不為過。其中，最主要的架構(gòu)變化有以下四點。

首先，CLB的容量相較UltraScale FPGA架構(gòu)擴大了四倍，包含32個LUT和64個寄存器，見下圖。

這樣做的主要目的，是為了減少全局布線資源的使用。ACAP為每個CLB設(shè)置了單獨的內(nèi)部高速互聯(lián)，與全局布線相比，這些內(nèi)部互聯(lián)更加快速，布線邏輯也更簡單，從而減輕了全局布線的壓力與擁擠。如下圖所示，采用了大CLB后，有18%的布線可以通過內(nèi)部互聯(lián)完成。而對于傳統(tǒng)FPGA，只有7%的布線能在CLB內(nèi)完成，其他都需要占用全局布線資源。

第二，每個查找表結(jié)構(gòu)（LUT）增加了一個額外的輸出，這是一個重要的架構(gòu)變化。傳統(tǒng)FPGA的LUT結(jié)構(gòu)為6輸入、2輸出，如下圖所示，可以實現(xiàn)任意的6輸入邏輯，或者兩個5輸入邏輯。當(dāng)添加了一個新的輸出O5_2之后，就可以實現(xiàn)兩個獨立的6輸入邏輯功能。

這種結(jié)構(gòu)的另外一個好處，是允許更多的邏輯功能進行合并，以減少LUT的使用量。FPGA設(shè)計工具會根據(jù)兩個LUT的距離，判斷這兩個LUT里的邏輯能否進行合并。例如，與UltraScale架構(gòu)相比，當(dāng)兩個LUT之間的距離小于5個Slice網(wǎng)格距離時，Versal ACAP架構(gòu)能多合并21.5%的邏輯功能，從而減少相應(yīng)的硬件資源使用。

作為代價，在UltraScale架構(gòu)中存在的Wide Function功能被移走。因此如果需要實現(xiàn)諸如32：1的選擇器時，就可能會擴展到多個Slice，對時序造成負面影響，并且需要額外的硬件資源支持。

第三，每個Slice的進位鏈邏輯結(jié)構(gòu)進行了徹底修改，如下圖所示。事實上，一直是現(xiàn)代FPGA標配的固化進位鏈被完全移除，取而代之的是使用LUT中新增加的cascade_in和LUT邏輯完成加法結(jié)構(gòu)。

論文中對這部分的討論過于簡單，對這個重要的架構(gòu)改變沒有給出詳細原因，對上圖中Versal進位鏈的具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)也含糊不清。老石猜測，這個改變的主要原因還是由于新增加的第二個LUT輸出，如果繼續(xù)保留進位鏈邏輯，會導(dǎo)致LUT間延時過大，從而影響時序。但是，這種新的進位鏈結(jié)構(gòu)是否會對算術(shù)運算的性能產(chǎn)生負面影響，賽靈思并未在論文中給出數(shù)據(jù)佐證。

第四，引入了名為“Imux寄存器”的新結(jié)構(gòu)。這種新寄存器架構(gòu)很明顯是用來對標英特爾的HyperFlex架構(gòu)。Imux寄存器共有四種模式，如下圖所示。

這種架構(gòu)只在CLB之前引入了用于優(yōu)化時序、增加流水線的寄存器。同時，這些寄存器包含了復(fù)位、初始化、時鐘使能等常見寄存器功能。這與HyperFlex的海量寄存器架構(gòu)有著明顯不同，如下圖。Imux沒有在全部布線資源上都設(shè)置寄存器，因此引入的額外延時會更小。但在深度流水線設(shè)計中，這種結(jié)構(gòu)的絕對性能應(yīng)該不如HyperFlex架構(gòu)。

上面的四種Imux使用模式在本文中不再贅述，例如下圖展示了其中的Time Borrowing、Pipelining、以及二者結(jié)合的模式。但這幾種方式與傳統(tǒng)的流水線和Retiming方式并沒有本質(zhì)區(qū)別。

關(guān)于Imux寄存器架構(gòu)，這篇論文最嚴重的問題在于實測數(shù)據(jù)和對比很少。這樣的實驗和論述，使得這部分內(nèi)容更像一篇白皮書，而非高端學(xué)術(shù)論文。嚴謹?shù)膶W(xué)術(shù)方法是需要兼顧可重復(fù)性和標準性，例如，選取一些標準的參考設(shè)計和Benchmark，分別使用英特爾的HyperFlex架構(gòu)、賽靈思的UltraScale架構(gòu)，以及這里提出的Imux架構(gòu)，進行實現(xiàn)，并測量這些在這些架構(gòu)上分別能得到多快的運行頻率。很顯然，這篇論文在很多地方都存在這樣的問題。

3D芯片制造技術(shù)SSIT

ACAP采用了賽靈思的第四代硅片堆疊技術(shù)SSIT。關(guān)于這個技術(shù)的細節(jié)，老石在之前的文章中詳細介紹過。這個技術(shù)本質(zhì)上是將多個小型硅片，放置在一個大的無源硅中介層上，然后通過硅通孔和芯片連線進行互聯(lián)，從而組成一個大芯片。

這種技術(shù)非常適合在每代半導(dǎo)體工藝的發(fā)展早期，特別是制造大型硅片的良率較低的情況。另外，SSIT的靈活性比較高，技術(shù)思路比較直接，發(fā)展至今已有四代，已經(jīng)比較成熟。

不過，這種技術(shù)的主要問題非常明顯，主要有以下幾點：

當(dāng)工藝成熟后，這種方式帶來的良率提升就不甚明顯，綜合成本反而會上升。

將多枚硅片通過硅中間層組合，可能會帶來明顯的性能降低。這主要受制于硅片間的互聯(lián)資源，以及互聯(lián)導(dǎo)線的巨大延遲。

該技術(shù)會限制FPGA配置的靈活性，因為它相當(dāng)于人為的增加了多個設(shè)計區(qū)域和邊界。這也對設(shè)計工具的優(yōu)化能力造成了很大的挑戰(zhàn)。

在這篇論文中，Versal ACAP主要針對上面的第二和第三點進行了優(yōu)化和改進。例如，在Versal架構(gòu)中，采用了更多的硅片間的互聯(lián)通道（SLL channel），如下圖所示。同時，這些互聯(lián)通道的傳輸延時也得到了進一步優(yōu)化，相比傳統(tǒng)連線的延時下降了30%。

片上網(wǎng)絡(luò)NoC

片上網(wǎng)絡(luò)是ACAP的主要技術(shù)革新之一。對于諸如DDR、高速網(wǎng)絡(luò)、PCIe等高速接口與應(yīng)用來說，通常有著很高的帶寬要求。這一方面需要采用高位寬的總線，另一方面需要高速時鐘。因此，傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計方法都是通過對總線進行深度流水線來實現(xiàn)。但對于一個大型設(shè)計而言，這種方法會很快造成片上布線資源的擁擠。這就需要尋找有效的方法，同時解決高速數(shù)據(jù)傳輸和低擁堵布線兩個問題。

ACAP采用了片上網(wǎng)絡(luò)（Network-on-Chip，NoC）技術(shù)應(yīng)對上述問題。在傳統(tǒng)的FPGA布線資源之外，引入了NoC網(wǎng)絡(luò)，將需要進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容轉(zhuǎn)化成基于數(shù)據(jù)包的形式，通過NoC的交換機邏輯實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，如下圖所示。與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用類似，這種片上網(wǎng)絡(luò)也能對各類的傳輸進行服務(wù)質(zhì)量控制（QoS）。

這種方法最大的優(yōu)點是在系統(tǒng)層面，將數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)計算進行了分離，從而在保證帶寬的基礎(chǔ)上，緩解了系統(tǒng)的布局布線壓力。例如，數(shù)據(jù)計算可以在AI引擎或片上其他部分實現(xiàn)，而不需緊靠DDR控制器等高速接口。

不過，這種方法的主要問題是引入了額外的傳輸延時，這對于需要固定延時或者低延時的應(yīng)用可能會有影響。在這篇論文中，并沒有提及延時的數(shù)據(jù)。此外，片上網(wǎng)絡(luò)的位寬是固定的，無法對應(yīng)用進行優(yōu)化，這也有可能對不同應(yīng)用的系統(tǒng)性能造成負面影響。

結(jié)語

ACAP作為賽靈思重磅推出的下一代計算平臺，從發(fā)布之初就備受矚目。究竟ACAP是不是FPGA，這個問題其實并不重要，重要的是ACAP的本質(zhì)仍然是基于可編程邏輯陣列的異構(gòu)計算芯片。與傳統(tǒng)FPGA架構(gòu)相比，ACAP帶來了諸多系統(tǒng)和微結(jié)構(gòu)的換代和革新，這也讓人們看到了業(yè)界為了延續(xù)摩爾定律的發(fā)展所做的不懈努力。

就這篇論文而言，雖然很多地方的學(xué)術(shù)嚴謹性有待提高，但瑕不掩瑜。作為第一篇完整的介紹Versal ACAP架構(gòu)細節(jié)的論文，它還是為我們帶來了很多對ACAP新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的詳細闡述和討論，也讓我們得以一窺ACAP的技術(shù)細節(jié)。

原文標題：賽靈思計算平臺ACAP技術(shù)細節(jié)全揭秘

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