基于Xilinx的Kintex-7系列XC7K325T的硬件加速卡

 

 

产品型号: B-PCIE-K7F5XILINX的Kintex-7系列FPGA处理器

　　B-PCIE-K7F5是一款基于PCI Express总线架构的高性能FPGA算法加速卡，该板卡采用Xilinx的高性能28nm 7系列FPGA作为运算节点。Xilinx的28nm 7系列FPGA通过对资源、接口以及时钟的优化，在高性能计算（High Performance Computing）上表现出卓越的性能。Kintex-7系列FPGA具有优化的GTX高速收发器，最高支持12.5Gbps线速率，具有百万门级的逻辑资源，尤其适合于大规模逻辑运算。 
　　B-PCIE-K7F5算法加速卡具有5片高性能FPGA处理节点，其中1片Kintex-7系列高容量高性能FPGA（具体型号为：XC7K420T-2FFG901I）作为主FPGA，其余4片Kintex-7系列低容量FPGA（具体型号为：XC7K325T-2FFG676I）作为从FPGA，主从处理节点之间全部采用高速串行通信进行数据交互。 
　　主FPGA主要完成与各个处理节点之间的数据交换、对各个处理节点进行任务分配、资源调度、数据分发等。此外主FPGA还将完成高速串行接口GTX（SFP+万兆光纤接口）扩展、高性能PCIE DMA控制器等功能。 
　　从FPGA主要完成主FPGA分解的算法模块，4个高容量运算节点进行并行运算，各个节点之间通过高速GTX串行接口进行数据交互。 
　　板卡具有高带宽大容量动态缓存，其中各个处理节点均载有两组大容量DDR3 SDRAM缓存单元，用于完成处理复杂逻辑与算法时的数据缓存，适合于乒乓操作。其中每片FPGA的高性能BANK（HP）外挂4片4Gb 16位DDR3 SDRAM颗粒，通过Fly-by拓扑结构构成一组64位的DDR3缓存单元，最高可工作在800MHz时钟频率，其中数据速率可以达到1600M*64bps，DDR3 SDRAM效率可以达到90%以上。每片FPGA的宽范围BANK（HR）外挂2片4Gb 16位DDR3 SDRAM，可独立工作在高达400MHz的时钟频率下，其中数据速率可以达到800M*32bps。

硬件指标

• 标准PCI Express全高全长卡，适合于普通服务器、工作站；
• 符合PCI Express Gen2.0规范，x8模式，理论带宽高达4GByte/s；
• 板载5片Kintex-7系列FPGA处理器： 主FPGA：1片Kintex-7系列 FPGA（XC7K420T-2FFG901I），可与XC7K355T-2FFG901I兼容。 从FPGA：4片Kintex-7系列FPGA（XC7K325T-2FFG676I），可与XC7K410T-2FFG676I、XC7K160T-2FFG676I兼容。
• 每两个从处理节点之间都通过x4的高速串行总线进行互联（支持各种高速串行协议，如RapidIO、Aurora等）。
• 主处理节点与从处理节点之间通过x4的高速串行总线进行互联（支持各种高速串行协议，如RapidIO、Aurora等）；
• 板载4路SFP+光纤通道，用于高速串行接口的扩展，最大支持10Gbps/lane线速率，理论传输带宽可达4Gbyte/s。光纤通道串行接口支持各种通信协议，例如RapidIO、Aurora64b/66b以及万兆网络等；
• 每片FPGA均挂载2组DDR3 SDRAM内存，其中HR BANK挂2片4Gb DDR3颗粒，组成32位内存总线，可工作在400MHz时钟频率；HP BANK挂4片4Gb DDR3颗粒，组成64位内存总线，可工作在800MHz时钟频率；两组DDR3可进行乒乓操作。
• 板载高精度有源晶振，温度稳定性高达±0.28ppm，老化率±1ppm；
• 板卡具有1路外时钟输入；
• 板卡具有2个独立的低偏斜、高精度全局时钟网络： 全局时钟网络1： 100MHz LVDS差分时钟网络，用于PCIE接口； 全局时钟网络2： 156.25MHz LVDS差分时钟网络，用于SRIO通信参考时钟；
• 板载8位拨码开关，可通过拨码开关选择板卡的工作模式；
• 具有调试指示灯；
• 板载1片FRAM，用于存储少量参数信息；
• 板载1片32MByte BPI Nor Flash，用于主FPGA的加载；
• 板载4片SPI Flash用于从FPGA的加载。
• 支持Chipscope在线调试加载；
• 支持菊花链式JTAG调试接口；

功能特性

• 从FPGA（XC7K325T）处理性能：

• 1. FPGA采用Xilinx的Kintex-7系列（XC7K325T）；
  2. 逻辑资源：50,950个Slices、326,080个逻辑单元；
  3. 存储器资源：最大4000Kb分布式RAM，445kb块RAM；
  4. 时钟资源：具有10个CMTs;
  5. IO资源：最大支持400个单端IO，最大支持192个差分IO；
  6. 具有1个PCIE Endpoint，支持gen2；
  7. 具有16个Gbits收发器，最大支持12.5Gbps。
• 主FPGA（XC7K420T）处理性能：

• 1. FPGA采用Xilinx的Kintex-7系列（XC7K420T）；
  2. 逻辑资源：65,150个Slices、416,960个逻辑单元；
  3. 存储器资源：最大5938Kb分布式RAM，835kb块RAM；
  4. 时钟资源：具有8个CMTs;
  5. IO资源：最大支持300个单端IO，最大支持144个差分IO；
  6. 具有1个PCIE Endpoint，支持gen2；
  7. 具有32个低功耗GTX Transceivers，最大支持12.5Gbps。
• 互联性能：

• 1. 4个从FPGA： 两两之间通过x4 SRIO互联，支持SRIO gen2@5Gbps/lane，理论带宽可以到达20Gbps。 两两之间通过x16的IO相连，用于传输低速的控制与配置信号。
  2. 主FPGA与4个从FPGA： 通过x4 SRIO互联，支持SRIO gen2@5Gbps/lane，理论带宽可以到达20Gbps。 主FPGA与各个从FPGA之间有x4的IO相连，用于传输低速的控制信号。
• 存储性能：

1. FPGA的HP BANK： 每一个FPGA的HP BANK支持4Gb 64位 DDR3 SDRAM，可独立工作在800M的时钟频率下，数据速率为1600x64bit，运行效率高达90%；
2. FPGA的HR BANK： 每一个FPGA的HR BANK支持4Gb 32位DDR3 SDRAM，可独立工作在400MHz时钟频率下，数据速率为800Mx32bit，运行效率高达90%；

接口特性

• 标准PCIE全高全长卡；
• 板卡具有4路SFP+光纤通道，LC接口，支持10G光模块；
• PCIe金手指：x8 金手指，适用于x8、x16机箱；
• 板卡具有1路外时钟输入，通过SMA连接器输入。

软件支持

• FPGA软件支持：

• 1. PCIE DMA链路控制；
  2. FPGA之间的SRIO通信；
  3. 板卡与板卡之间的10G光纤接口通信。
• 其他软件支持：

1. 定制算法与逻辑；
2. 定制PC机驱动与演示程序。
3. 支持win7 64位/32位操作系统，支持Linux操作系统。

应用场景

• 高性能计算；
• 服务器硬件加速；
• 算法验证平台。

物理特征

物理与电气特征
板卡尺寸	106.65*352.19mm
板卡供电	2A max@12VDC(±5%)
散热方式	风冷散热

 

工作环境
工作温度	-40°~+85°C（工业级）
存储温度	-55°~+125°C
工作湿度	5%~95%，非凝结

 

可靠性指标
使用寿命	>10年
MTTR	<20分钟
MTBF	10,000,000小时
质量标准

优势（对比DINIGROUP公司的DNK7_F5PCIE）

对比项目	DNK7_F5PCIE	B-PCIE-K7F5	结论
处理性能	5片K7系列FPGA，1片Virtex-6系列FPGA	5片Kintex-7系列FPGA 主FPGA：XC7K420T 从FPGA：XC7K325T 处理性能强大，更多的逻辑资源、更优化的LUT结构、更多的乘法资源、更多的GTX高速串行收发器	更优化的结构
逻辑资源	410K + 325K*4	420K + 325K*4	优于
高速串行收发器	主 FPGA：16个GTX  从FPGA：8个GTX	主FPGA：32个GTX  从FPGA：16个GTX	优于
互联方式	互联方式：46位并行总线 互联带宽：19.2Gbps 互联特点：占用大量IO，时序收敛困难	互联方式：串行SRIO x4  互联带宽：20Gbps  互联特点：串行总线，占用IO少，速度高	优于
接口类型	4个千兆以太网口	2个千兆网口+2个万兆光口
GTX扩展	无	4路高速万兆光纤，更易于与系统内其它板卡互联	优于
PCIE接口	支持PCIE gen1 x4，最高支持2.5Gbps线速率	支持PCIe gen2 x8，最高支持5Gbps线速率，总数据带宽：4GByte	等同

　　B-PCIE-K7F5与DINI公司的DNK7_F5PCIE比较最大特色在于：
　　（1）采用高容量高性能的420T FPGA，简化了PCIE设计，增加了GTX数量，使得系统互联更方便。省去了Virtex-6 FPGA作为PCIE桥片。
　　（2）互联方式均采用RapidIO高速串行互联，简化了设计，提高了性能。

全文转自：

http://blog.sina.com.cn/s/blog_14ecc0afb0102wfx8.html