Xilinx KCU116: A költséghatékony 100 Gbps sebességű hálózati és tárolási FPGA fejlesztői platform

A Kintex® UltraScale+™ családot a legjobb ár/teljesítmény/watt arányú TSMC 16 nm FinFET technológiájú FPGA eszköznek tartják a Xilinx® termékei közül. Az új UltraRAM és az új összekapcsolás-optimalizálási technológia (SmartConnect) kombinálásával ez az eszköz a legköltséghatékonyabb megoldást nyújtja olyan alkalmazások számára, amelyek 100 Gbps-os összekapcsoló magokhoz nagy teljesítményű adó-vevő egységeket igényelnek. Ezt a családot kifejezetten hálózati és tárolási alkalmazásokhoz tervezték, ilyenek például a hálózati csomagfeldolgozás és a vezeték nélküli MIMO technológia, a 100 Gbps-os vezetékes hálózat, az ipari és adatközponti hálózatok gyorsítása, valamint az NVMe SSD-k (SSD meghajtók) tárolási műveleteinek gyorsítása. Ez a cikk a Xilinx KCU116 kiértékelő készletén mutatja be a TCP Offload Engine hálózati és NVMe SSD implementációjának 100 Gbps-os megoldását a Design Gateway TOE100G-IP Core eszközének használatával, amely CPU megoldásokhoz 12 GB/s TCP átvitelt biztosít 100 GbE interfészen keresztül, valamint az NVMeG4-IP Core-t, amely hihetetlenül gyors, SSD-nként körülbelül 4 GB/s-os teljesítményt képes elérni.

A Kintex® UltraScale+ KCU116 kiértékelő készlet bemutatása

A KCU116 ideálisan használható a Kintex UltraScale+ kulcsfontosságú jellemzőinek kiértékelésére, különös tekintettel a 28 Gbps-os adó-vevő teljesítményre. Egy XCKU5P-2FFVB676E FPGA eszközre alapozva kiválóan alkalmas prototípusok gyors elkészítésére.

A kártyán található egy 1 GB 32 bites DDR4-2666 RAM modul, FMC bővítő portok 1 x M.2 NVMe SSD-hez, valamint PCIe Gen4 x8 sávok maximum 2 x M.2 NVMe SSD interfészhez. A 16 x 28 Gbps GTY adó-vevő mind a PCIe Gen4, mind a 100 GbE interfész megvalósításához rendelkezésre áll és számos perifériás interfésszel, valamint FPGA logikával is rendelkezik a testre szabott felhasználói fejlesztésekhez.

1. ábra: A KCU116 kiértékelő készlet. (Kép: Xilinx Inc. Inc.)

A KCU116 a Design Gateway IP magjaival együtt mindent biztosít, ami a legkorszerűbb 100 Gbps-os hálózati és tárolási megoldások fejlesztéséhez kell, anélkül, hogy MPSoC támogatásra lenne szükség.

100 Gbps-os hálózati és tárolási megoldások megvalósítása

2. ábra: KCU116-on megvalósított 100 Gbps-os hálózati és tárolási megoldás. (Kép: Design Gateway)

Bár a Kintex UltraScale+ eszközök nem rendelkeznek olyan MPSoC technológiával, mint a Zynq UltraScale+, a hálózati és NVMe tárolási protokollok feldolgozása a Design Gateway IP Cores megoldásait felhasználva processzorok és operációs rendszer nélkül is megvalósítható:

1. TOE100G-IP: 100 GbE Full TCP protokoll stack IP Core CPU nélkül
2. NVMeG4-IP: Önálló NVMe hostvezérlő beépített PCIe Gen4 SoftIP-vel

Mind a TOE100G-IP, mind az NVMeG4-IP képes CPU/OS/Driver nélkül működni. A felhasználói logika a vezérlési és adatútvonalhoz mindkét IP-vel megvalósítható tiszta hardverlogikával vagy a Microblaze bare-metal operációs rendszerével, lehetővé téve a magas szintű alkalmazások és algoritmusok gyorsabb és egyszerűbb fejlesztését anélkül, hogy a bonyolult hálózati és NVMe protokollok miatt kellene aggódni. Ez új lehetőségeket nyit a fejlett rendszerszintű megoldások, például az érzékelőadatok rögzítése, az on-board számítás és a mesterséges intelligencián alapuló Edge computing eszközök számára.

Design Gateway TOE100G-IP UltraScale+ eszközhöz

3. ábra: TOE100G-IP rendszerek. (Kép: Design Gateway)

A TOE100G IP mag TCP/IP stacket valósít meg (hardwire logikában), amely összekapcsolódik a Xilinx alsó szintű hardverhez tartozó 100 Gb-os Ethernet alrendszer moduljával. A TOE100G IP felhasználói interfésze egy regiszter interfészből áll a vezérlőjelek és egy FIFO interfészből az adatjelek számára. A TOE100G IP-t a 100 Gb-os Ethernet alrendszerhez való csatlakozásra tervezték, amely 512 bites AXI4-ST-t használ a felhasználói interfészhez való csatlakozáshoz. A Xilinx által biztosított Ethernet alrendszer EMAC, PCS és PMA funkciókat tartalmaz. A 100 Gb-os Ethernet alrendszer felhasználói interfészének órajele 322,265625 MHz.

A TOE100G-IP jellemzői

• Full TCP/IP stack megvalósítása
• Egy munkamenet támogatása egy TOE100G IP-vel (több munkamenet több TOE100G IP használatával valósítható meg)
• Szerver és kliens üzemmód támogatása (passzív/aktív nyitás és zárás)
• Jumbo keret támogatása
• Egyszerű adatinterfész szabványos FIFO interfészen keresztül
• Egyszerű vezérlőfelület egyportos RAM interfészen keresztül

Az XCKU5P-2FFVB676E FPGA eszköz FPGA erőforrás-felhasználását az alábbi 1. táblázat mutatja.

1. táblázat: Példa megvalósítási statisztikák a Kintex Ultrascale+ eszközre vonatkozóan

A TOE100G-IP további leírását az adatlapja tartalmazza, amely letölthető a Design Gateway weboldaláról.

A Design Gateway NVMe PCIe Gen4 hostvezérlője GTY adó-vevő egységekhez

A Kintex UltraScale+ rendelkezik egy GTY adó-vevővel, amely képes a PCIe Gen4 interfész támogatására, de PCIe Gen4 integrált blokk és ARM processzor nem áll rendelkezésre.

A Design Gateway ezt a problémát az NVMeG4-IP mag kifejlesztésével oldotta meg, amely képes önálló NVMe hostvezérlőként működni, beépített PCIe soft IP-vel és PCIe bridge logikával egyetlen magban. Az NVMe PCIe Gen4 SSD-k elérésének engedélyezése leegyszerűsíti a felhasználói felületet és lehetővé teszi a szabványos funkciók egyszerű használatát anélkül, hogy az NVMe protokollt ismerni kellene.

4. ábra: Az NVMeG4-IP blokkvázlata. (Kép: Design Gateway)

Az NVMeG4-IP jellemzői

• Képes az alkalmazási réteg, a tranzakciós réteg, az adatkapcsolati réteg és a fizikai réteg egyes részeinek megvalósítására az NVMe SSD eléréséhez CPU vagy külső DDR memória nélkül
• Xilinx PCIe PHY IP-vel működik, amely 4 sávos PCIe Gen4-ként (256 bites buszinterfész) van konfigurálva
• 256 kB RAM adatpuffert tartalmaz
• Hat parancsot támogat: azonosítás, leállítás, írás, olvasás, SMART és kiürítés (opcionálisan további parancsok támogatása is elérhető)
• A felhasználói órajel frekvenciájának meg kell haladnia a PCIe órajeléét (250 MHz a Gen4 esetében), vagy meg kell egyeznie vele

Az XCKU5P-2FFVB676E FPGA eszköz FPGA erőforrás-felhasználását az alábbi 2. táblázat mutatja.

2. táblázat: Példa megvalósítási statisztikák a Kintex Ultrascale+ eszközre vonatkozóan.

Az NVMeG4-IP további leírását az adatlapja tartalmazza, amely letölthető a Design Gateway weboldaláról.

Példa TOE100G-IP implementációra és eredményre a KCU116-on

Az 5. ábra a KCU116-on alapuló referenciaterv áttekintését mutatja a TOE100G-IP implementáció bemutatására. A demó rendszer bare-metal OS Microblaze rendszereket, felhasználói logikát és Xilinx 100 Gb Ethernet alrendszereket tartalmaz.

5. ábra: A TOE100G-IP demó rendszerek blokkvázlata. (Kép: Design Gateway)

A demó rendszert úgy tervezték, hogy a TOE100G-IP működését kliens és szerver üzemmódban is ki tudja értékelni. A tesztlogika lehetővé teszi az adatok tesztmintával történő küldését és fogadását a lehető legnagyobb adatsebesség elérése érdekében a felhasználói interfész oldalán. A KCU116-tal megvalósított 100 GbE interfészhez négy SFP+ adó-vevőre (25GBASE-R) és optikai kábelre van szükség a 6. ábrán látható módon.

6. ábra: KCU116-on megvalósított TOE100G-IP demó környezet. (Kép: Design Gateway)

Az 100G és a többi (1G/10G/25G/40G) összehasonlításának teszteredményeit a 7. ábra mutatja.

7. ábra: A TOE100G-IP teljesítményének összehasonlítása az 1G/10G/25G/40G teljesítményével a KCU116-on. (Kép: Design Gateway)

A teszteredmény azt mutatja, hogy a TOE100G-IP körülbelül 12 GB/s TCP átviteli sebesség elérésére képes.

Példa NVMeG4-IP implementációra és eredményre a KCU116-on

Az 8. ábrán a KCU116-on alapuló referenciaterv áttekintése látható az 1CH NVMeG4 implementáció bemutatására. Nagyobb tárolási teljesítmény elérése érdekében lehetőség van az NVMeG4-IP több példányának implementálására, ha az FPGA erőforrások rendelkezésre állnak a testreszabott felhasználói tervből.

Az NVMeG4-IP referenciaterv további részleteiért olvassa el a Design Gateway weboldalán található NVMeG4-IP referenciaterv című dokumentumot.

8. ábra: Az NVMeG4-IP referenciaterv áttekintése. (Kép: Design Gateway)

A demó rendszer célja adatok írása/ellenőrzése NVMe SSD-vel a KCU116-on. A felhasználó egy soros konzolon keresztül vezérli a tesztműveletet. Ahhoz, hogy az NVMe SSD csatlakoztatható legyen a KCU116-hoz, a 9. ábrán látható AB18-PCIeX16 adapterkártyára van szükség.

9. ábra: KCU116-on megvalósított NVMeG4 demó környezet. (Kép: Design Gateway)

A 10. ábra a demó rendszer KCU116-on történő futtatási példájának eredményét mutatja, 512 GB-os Samsung 970 Pro használata mellett.

10.ábra: NVMe SSD írási/olvasási teljesítménye a KCU116-on Samsung 970 PRO S használata mellett. (Kép: Design Gateway)

Összegzés

Mind a TOE100G-IP, mind az NVMeG4-IP Core megoldást nyújt a KCU116 kártya 100 Gbps csatlakozási képességének kihasználására hálózati és NVMe tárolási alkalmazások megvalósításához. Egy TOE100G-IP körülbelül 12 GB/s TCP átviteli sebességre képes 100 GbE-n keresztül. Az NVMeG4-IP nagyon nagy teljesítményű tárolást biztosít az NVMe PCIe Gen4 révén, SSD-nként körülbelül 4 GB/s sebességgel. Az NVMeG4-IP több példánya RAID0 vezérlő kialakítására használható, így növelhető a tárolási teljesítmény a 100 GbE átviteli sebességhez igazodva.

A KCU116 kiértékelő készlet és a Design Gateway hálózati és tárolási IP-megoldásai a lehető legnagyobb teljesítmény elérését teszik lehetővé a lehető legkevesebb FPGA-erőforrás felhasználása mellett egy nagyon költséghatékony, Xilinx® Kintex UltraScale+® eszközön alapuló megoldás vagy termék létrehozásához.

A TOE100G-IP-re és az NVMeG4-IP-re vonatkozó további részletek, az adatlap, a rendelkezésre álló referenciaterv és a demó környezet beállítása a Design Gateway weboldalán találhatók:

https://dgway.com/TOE100G-IP_X_E.html

https://dgway.com/NVMeG4-IP_X_E.html