ORihard KCU116E: 經濟實惠的 100Gbps 網路和儲存 FPGA 開發平臺

 

Kintex® UltraScale+™ 系列被認為是 Xilinx® 基於 TSMC 16 nm FinFET 技術構建的、具有最佳“價格/效能/瓦特”平衡比的 FPGA 器件。結合皆為新的 UltraRAM 和互連最佳化技術 (SmartConnect)，該器件為需要透過高階功能收發器實現 100 Gbps 連線核心的應用提供了最經濟實惠的解決方案。這個系列專門為網路和儲存應用而設計，如網路包處理和無線 MIMO 技術、100 Gbps 有線網路、工業和資料中心網路加速以及 NVMe SSD（固態硬碟）儲存加速。本文透過使用 Design Gateway 的 TOE100G-IP 核心和 NVMeG4-IP 核心，在 Xilinx 的 KCU116E 評估套件上演示了 TCP 解除安裝引擎網路和 NVMe SSD 實現的100Gbps 解決方案。其中，TOE100G-IP 核心用於在 100 GbE 介面上進行 12GB/s TCP 傳輸的 CPU 解決方案，而 NVMeG4-IP 核心則能夠實現每個 SSD 約 4GB/s 的難以置信的快速傳輸效能。

Kintex® UltraScale+ KCU116E 評估套件簡介
KCU116E 非常適用於評估 Kintex UltraScale+ 的關鍵功能，尤其是 28 Gbps 收發器效能。該套件非常適用於基於 XCKU5P-2FFVB676E FPGA 器件的快速原型開發。

板上包括一個板載的 1GB 64   位 DDR4-2666、以及用於多達 2 個 M.2 NVMe SSD 介面的 PCIe Gen4 x8 通道。16 x 28 Gbps GTY 收發器可用於組成 PCIe Gen4 X8和 2 個 100 GbE 介面，並提供各種外設介面和 FPGA 邏輯以方便使用者進行定製設計。

 

 

圖 1：KCU116E 評估套件。

透過搭配 Design Gateway 的 IP Cores，KCU116E 能提供開發最先進的 100Gbps 網路和儲存解決方案所需的一切，而且不需要 MPSoC 支援。

實現 100Gbps 網路和儲存解決方案

 

圖 2：KCU116E 的 100Gbps 網路和儲存解決方案。（圖片來源：Design Gateway）

儘管 Kintex UltraScale+ 器件不像 Zynq UltraScale+ 那樣採用了 MPSoC 技術，但透過利用 Design Gateway 的 IP Cores 解決方案，可以實現網路和 NVMe 儲存協議處理，無需處理器和作業系統。

1. TOE100G-IP：100GbE 全 TCP 協議棧 IP Core，無需 CPU
2. NVMeG4-IP：獨立的 NVMe 主機控制器，內建 PCIe Gen4 IP 軟核

TOE100G-IP 和 NVMeG4-IP 都可以在不需要 CPU/OS/驅動的情況下執行。對於使用這兩種 IP 的控制和資料路徑的使用者邏輯，可以由 Microblaze 的純硬體邏輯或裸機作業系統來實現，以使高層應用和演算法的開發更快、更容易，而無需擔心複雜的網路和 NVMe 協議。這為先進的系統級解決方案創造了新的機會，如感測器資料採集、板載計算和基於 AI 的邊緣計算裝置。

Design Gateway 的 TOE100G-IP 用於 UltraScale+裝置

 

圖 3：TOE100G-IP 系統。（圖片來源：Design Gateway）

TOE100G IP 核心執行 TCP/IP 協議棧（在硬線邏輯中），與 Xilinx 的 100Gb 乙太網子系統模組連線，用於下層硬體。TOE100G IP 的使用者介面包括一個用於控制訊號的暫存器介面、一個用於資料訊號的 FIFO 介面。TOE100G IP 旨在與 100Gb 乙太網子系統連線，後者使用 512 位 AXI4-ST 連線至使用者介面。Xilinx 提供的乙太網子系統包括 EMAC、PCS 和 PMA 功能。100Gb 乙太網子系統的使用者介面時脈頻率等於 322.265625 MHz。

TOE100G-IP 的特點

·   完整的 TCP/IP 堆疊實施

·   一個 TOE100G IP 支援一個會話（可透過使用多個 TOE100G IP 實現多重會話）

·   同時支援伺服器和客戶端模式（被動 /主動開啟和關閉）

·   支援 Jumbo 框架

·   透過標準 FIFO 介面提供簡單的資料介面

·   透過單埠 RAM 介面進行簡單的介面控制

XCKU5P-2FFVB676E FPGA 器件上的 FPGA 資源使用情況如下表 1 所示。

 

表 1：Kintex Ultrascale+ 器件的使用統計示例

有關 TOE100G-IP 的更多詳情，請參閱其規格書。可從 Design Gateway 網站下載規格書。

Design Gateway 的 GTY 收發器的 NVMe PCIe Gen4 主機控制器
Kintex UltraScale+ 有一個 GTY 收發器，能夠支援 PCIe Gen4 介面，但不含 PCIe Gen4 整合塊和 ARM 處理器。

Design Gateway 透過開發 NVMeG4-IP 核心解決了這個問題，該核心能夠作為獨立 NVMe 主機控制器執行並在單個核心中內建 PCIe 軟 IP 和 PCIe 橋接邏輯。NVMe PCIe Gen4 固態硬碟訪問的啟用簡化了使用者介面，使標準功能設計易於使用，而不需要掌握 NVMe 協議的知識。

 

圖 4：NVMeG4-IP 框圖。（圖片來源：Design Gateway）

NVMeG4-IP 的特點

·   能夠實現應用層、事務層、資料鏈路層和物理層的某些部分在沒有 CPU 或外部 DDR 儲存器的情況下訪問 NVMe SSD

·   使用配置為 4 通道 PCIe Gen4（256 位匯流排介面）的 Xilinx PCIe PHY IP 進行操作

·   包含 256 KB RAM 資料緩衝區

·   支援六條命令，即識別、關斷、寫入、讀取、 SMART 和重新整理（可選擇支援其他命令）

·   使用者時脈頻率必須大於或等於 PCIe 時鐘（Gen4 為 250 MHz）

XCKU5P-2FFVB676E FPGA 器件上的 FPGA 資源使用情況如下表 2 所示。

 

表 2：Kintex Ultrascale+ 器件的實施統計舉例

有關 NVMeG4-IP 的更多詳情，請參閱其規格書。可從 Design Gateway 網站下載規格書。

在 KCU116E 上實施 TOE100G-IP 的舉例和效能結果
圖 5 所示為基於 KCU116E 的參考設計，以展示 TOE100G-IP 的應用情況。該演示系統包括裸機作業系統 Microblaze 系統、使用者邏輯和 Xilinx 的 100Gb 乙太網子系統。

 

圖 5：TOE100G-IP 演示系統框圖。（圖片來源：Design Gateway）

該演示系統專們用於評估 TOE100G-IP 在客戶端和伺服器模式下的操作。使用測試邏輯功能，可在測試模式下傳送和接收資料，以便在使用者介面側獲得儘可能高的資料速度。對於使用 KCU116E 的 100GbE 介面，需要四個 SFP+ 收發器 (25GBASE-R) 和光纖電纜，如圖 6 所示。

 

圖 6：在 KCU116 上安裝的 TOE100G-IP 演示環境。（圖片來源：Design Gateway）

圖 7 顯示了 100G 與其他 (1G/10G/25G/40G) 比較時的示例測試結果。

 

圖 7：TOE100G-IP 與 KCU116E 上的 1G/10G/25G/40G 效能比較。（圖片來源：Design Gateway）

測試結果表明， TOE100G-IP 能夠實現大約 12GB/s 的 TCP 傳輸速度。

在 KCU116E 上的 NVMeG4-IP 實施和效能結果示例
圖 8 所示為基於 KCU116E 的參考設計，以展示 1CH NVMeG4-IP 的實施情況。如果使用者定製設計的 FPGA 資源可用的話，可以實施 NVMeG4-IP 的多個例項以實現更高的儲存效能。

關於 NVMeG4-IP 參考設計的更多詳情，請參考 Design Gateway 網站上提供的  。

 

圖 8：NVMeG4-IP 參考設計概覽。（圖片來源：Design Gateway）

該演示系統旨在透過 KCU116E 上的 NVMe SSD 寫入/驗證資料。使用者可透過序列控制檯控制測試操作。為了使 NVMe SSD 與 KCU116E 連線，需要一塊 AB18-PCIeX16 介面卡板，如圖 9 所示。

 

圖 9：在 KCU116E 上安裝的 NVMeG4-IP 演示環境。（圖片來源：Design Gateway）

使用 512 GB Samsung 970 Pro 時，在 ZCU116 上執行演示系統的示例測試結果如圖 10 所示。

 

圖 10：使用 Samsung 970 PRO S 時，ZCU116 上 NVMe SSD 的讀/寫效能。（圖片來源：Design Gateway）

結語
TOE100G-IP 和 NVMeG4-IP 核心都提供了在 KCU116E 板上使用 100Gbps 連線功能的解決方案，可實現網路和 NVMe 儲存應用。一個 TOE100G-IP 能夠在 100GbE 上進行大約 12GB TCP 傳輸。NVMeG4-IP 可以透過 NVMe PCIe Gen4 提供卓越的高效能儲存，每塊 SSD 的速度約為 4GB/s。NVMeG4-IP 的多個例項可用於組成 RAID0 控制器，並可提高儲存效能，以匹配 100GbE 的傳輸速度。

利用 KCU116E 評估套件和 Design Gateway 的網路與儲存 IP 解決方案，就有可能以最少的 FPGA 資源實現最高效能的目標，從而獲得基於 Xilinx® Kintex UltraScale+® 器件的、經濟實惠的解決方案或產品。

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