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記憶體/儲存  

用多核心設計方法提升AMC卡性能

上網時間: 2007年02月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:多核心  高階電信運算架構  微電信運算架構  記憶體交錯  multi-core 

隨著現代通訊系統要求不斷提高,對處理器性能要求也不斷增加。過去,提高時脈速度是滿足不斷成長系統性能要求的主要方式。然而,高速設計壓力和熱問題複雜性的增加意味著這種方法已經接近微處理供應商的能力極限。即使近年來製程技術大幅提升,矽晶片面積也因此顯著縮小,執行速度明顯加快,但仍無法跟上性能要求提高的腳步。

增加額外的處理器是解決此一要求的另一種趨勢。然而,使用額外的處理器會提高架構複雜性,使系統功耗上升,且PCB成本也相應增加。因此,越來越多晶片供應商開始採用在單一矽晶片上整合多個處理核心的設計方法。

發展趨勢

高階電信運算架構(ATCA)和微電信運算架構(uTCA)等業界標準發展的趨勢能讓用戶再使用機箱、機架和風扇組件,不僅能降低整體系統成本,而且能透過減輕設計師的設計負擔來縮短產品上市時間,設計公司也能專注於更高層的任務,如系統架構的開發。

這一趨勢的形成原因部份是由於串列/解串器(SERDES)技術-即高速串列介面的問世。SERDES不僅大幅提高了承載卡和背板的數據傳輸速度,而且透過取代平行匯流排架構簡化了設計工作,避免了平行匯流排佈線、數據扭曲(data skew)、時脈負載等問題。

業界標準架構允許原始設備製造商(OEM)快速轉向更加模組化的設計。AdvancedMC(AMC)的‘隨插即用’特性能讓處理單元迅速替換和/或升級(至少就硬體來看是這樣)。

當然,AMC規格的這種模組化特性也是有代價的,AMC規格在電路板面積、元件高度和模組電源方面的限制為電路板設計師提出了全新挑戰。晶片製造商正不斷努力使其元件更適用於AMC規格以應對這些挑戰,如使處理器的功耗更低、封裝體積更小,並整合更多功能,不再需要週邊橋接晶片。

記憶體交錯處理技術

對多數高性能系統而言,高性能記憶體介面對保證高吞吐量非常關鍵。通常,在較差的系統設計中,具有極高性能的處理器經常處在一種無數據處理的‘飢餓’狀態。

提高總吞吐量的方法之一是採用記憶體交錯處理(memory interleaving)。記憶體交錯處理能使處理器在指定時間內讀寫更多資訊,有助於減少潛在瓶頸問題。

交錯處理的原理是將系統記憶體劃分成多個區塊。通常記憶體被劃分成2個或4個區塊。這些系統也被稱為雙路或四路交錯系統。即使有兩個實體上的獨立記憶體庫,軟體也會把它們視為一個記憶體區塊。

為了實現記憶體交錯處理,必須能使用一組單獨的控制線路存取每個記憶體區塊。一旦開始對第一個記憶體區塊的存取,對第二個區塊的存取也能同時進行。

在交錯處理的記憶體系統中,仍有兩個DRAM實體庫。然而,處理器在邏輯上只看到一個記憶體庫。對記憶體的存取是輪流進行的,先是庫1的數據,然後是庫2的數據,然後又再是庫1的數據。邏輯庫的所有偶數長字存放在實體庫1中,所有奇數長字存放在實體庫2中(見圖1)。


圖1:記憶體交錯處理時序。

這種做法具有明顯的速度優勢,因為對這些記憶體的存取採用的是獨立的匯流排,時間上可以同時進行。

千萬不要把記憶體交錯與傳統系統中使用多個記憶體庫相混淆。這些‘傳統’系統只是簡單地透過增加記憶體庫來提高記憶體容量,通常是插入雙列直插記憶體模組(DIMM)。雖然新增的庫可能被賦予獨立的晶片選擇線路,但它們一般都共享控制線路,如列位址閘控(RAS)和行位址閘控(CAS),因此不允許同時存取。兩個記憶體控制器間的交錯能力可為系統設計師提供兩大優勢:首先,它不需要處理器利用軟體平衡對兩個記憶體庫的存取,而是可以自動平衡,因此能讓處理器充分發揮記憶體控制器的頻寬優勢;其次,它允許一次打開兩倍具有空間方位性的DRAM頁,這樣可顯著提高打開頁被存取到的概率,因而減少延遲。

過去嵌入式記憶體一直未採用記憶體交錯處理,因為新增記憶體和支援這種架構所需的複雜晶片組成本都非常高。然而,隨著記憶體成本的不斷下降,PC市場的大力推動以及大量處理器中整合具有交錯處理能力的記憶體控制器,這種技術已走向實際應用。

以飛思卡爾的MPC8641D Power處理器為例,它能透過記憶體交錯技術存取整合在內部的DDRII DRAM控制器。該處理器支援兩個DDRII記憶體控制器,記憶體事務可根據地址分派給DDRII控制器1或DDRII控制器2。另外,控制器也可以經過配置支援兩個記憶體控制器之間的交錯事務。兩個記憶體控制器之間的交錯處理能以快取記憶體線(cache line)或頁為基礎進行。

AMC參考平台

在仔細考慮了對多核心AMC卡的要求後,我們會發現各種要求之間似乎有矛盾或不一致的地方。最初看來確實如此,例如:高處理器性能但要最小化功耗;雙記憶體庫,要支援交錯,但只有有限的電路板面積;不存在系統瓶頸的高速SERDES介面;除了‘寬管線(Fat Pipe)’外,還要支援‘普通選項(common option)’介面。

下面將以飛思卡爾半導體公司推出的MPC8641D AMC參考平台為例(見圖2),揭示此類架構如何克服上述問題。


圖2:MPC8641D AMC卡功能結構圖。

MPC8641D的兩個核心都以1,500MHz速率執行,運作時標準功耗為32W,這意味著該處理器僅需32W功耗就能提供3GHz的Power處理能力。其優勢包括:

1. 功耗的減少可以簡化電源設計;

2. 由於需散發的熱量少,可選用較小的散熱器,同時由於減少了對昂貴專用工具的需求,也能簡化設計並降低成本;

3. 另外,較小的散熱器能使電路板輕易滿足對AMC卡的機械要求;

4. 由於是‘較冷’的解決方案,整體可靠性相對提高。

MPC8641D支援兩個獨立的64位元DDRII控制器。這些記憶體控制器已整合在內部,因此無需使用外部橋接晶片,可節省電路板面積。卡上的DDRII庫採用分離式元件實現。這種實現方法有兩大特色:首先,整體解決方案在體積上較採用DIMM實現的方案更小;其次,由於分離式元件高度較低,因此能放置在AMC卡的反面,並保持在高度範圍內。在MPC8641D AMC卡上,兩個記憶體庫都放在正面,並與處理器相鄰(圖3)。


圖3:MPC8641D AMC卡

由於分離DDRII實現的高度低,因此需要時可安裝較大的散熱器。例如,當板卡需要在較高溫度或空氣流動不暢的環境下工作時,就需要用較大的散熱器。因此,這種實現方法具有很大的靈活性。

透過SERDES介面以獲得較高的數據速率,是AMC規格開發的原動力。像串列RapidIO或PCI Express等高速互連匯流排均為此類介面。通常這些介面需採用專用橋接晶片或FPGA實現。這些額外介面晶片可能導致系統瓶頸、額外成本和更大電路板面積等問題。

MPC8641D整合了支援串列RapidIO和PCI Express的兩個SERDES介面。這種整合式模組不僅取消了外部晶片,同時避免了潛在的瓶頸問題。由於內部整合了這些介面,可用內部DMA引擎直接將數據從I/O移動到系統記憶體。因此不僅去除了瓶頸,且無需處理器介入就能實現數據傳送。

除了‘寬管線’外,AMC規格要求在邊沿連接器上提供‘普通選項’區域。該區域一般作為兩個Gb乙太網路、SERDES介面。就像‘寬管線’介面一樣,處理器晶片中也整合了Gb乙太網路介面。同樣,這種做法能帶來更小電路板面積、更簡單的設計和消除潛在瓶頸等優勢。事實上,MPC8641D支援4個Gb乙太網路埠。在AMC卡上,兩個Gb乙太網路在通用功能區使用,另外兩個透過前面板上的RJ45連接器連接。

當然,硬體只是整體解決方案的一部份。毫無疑問,設計最複雜的部份,事實上也是最難的架構決策需根據軟體結構實現。

在多重處理系統中,軟體可歸納為兩種基本選擇,即對稱多重處理或非對稱多重處理。採用哪種系統很大程度上取決於整體系統要求,基本上是系統想在輸入/輸出、任務處理、系統延遲等方面達到的要求。每種方法都具備獨特優勢。

對稱多重處理方法認為只有一個作業系統高效地擁有系統中的所有資源。例如在MPC8641D雙核心處理器上,作業系統將每個核心看作一個資源。對於非對稱多重處理,每個核心執行一個獨立的作業系統。資源在各個處理單元之間分配。

每種方法都允許用戶充分利用設計雙核心特性以最佳化性能。例如,一個核心處理數據任務,而另外一個核心處理控制任務。或是第一個核心將各種任務卸載給第二個核心。

MPC8641D內部支援這些架構。例如,針對數據快取記憶體的硬體增強型、改進的/排它/共享/無效(MESI)快取記憶體協議可確保快取記憶體一致性。

本文小結

電信產業的發展趨勢正要求採用能最佳化電路板面積和功耗等投資回報的解決方案,因此矽晶片製造商和電路設計師的壓力與日俱增,他們不僅要提高MIPS性能,還要最小化功耗和外形設計。

在矽晶片供應商努力滿足這些要求的同時,他們開發的處理器也越來越複雜,為電路板設計師帶來了更多潛在挑戰。設計多核心處理器以滿足AMC規格要求對看來似乎是個艱鉅的任務,在外形、熱要求和板級功能等方面的嚴格規格為電路板設計師和設備製造商造成了極大困難。然而,矽晶片供應商提供的參考平台和設計保證可解決這些問題。為了縮短產品上市時間,愈來愈多用戶利用矽晶片製造商提供的參考設計。這些設計可以是實際電路板,也可以是經過驗證的詳細設計,用戶可在此基礎上展開他們自己的設計。

作者:Rod Watt

首席資深工程師

飛思卡爾半導體公司




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