Xilinx KCU116: Platforma rentabilă de dezvoltare FPGA pentru rețea și de stocare de 100 Gbps

Dispozitivele din familia Kintex® UltraScale+™ sunt considerate dispozitivele FPGA care oferă cel mai bun echilibru între preț/performanță/wați, fiind construite pe baza tehnologiei TSMC 16 nm FinFET de la Xilinx®. Combinând noua tehnologie UltraRAM și noua tehnologie de optimizare a interconectării (SmartConnect), acest dispozitiv oferă cea mai rentabilă soluție pentru aplicațiile care necesită emițătoare-receptoare cu capacitate ultra-performantă pentru nucleele de conectivitate de 100 Gbps. Această familie este special concepută pentru aplicații de rețea și de stocare, cum ar fi procesarea pachetelor de rețea și tehnologia MIMO wireless, rețelele prin cablu de 100 Gbps, accelerarea rețelelor industriale și de centre de date și accelerarea stocării NVMe SSD (unitate Solid State). Acest articol demonstrează soluția de 100 Gbps a rețelei TCP Offload Engine și implementarea SSD NVMe pe kitul de evaluare KCU116 de la Xilinx prin utilizarea nucleului TOE100G-IP de la Design Gateway, destinat soluțiilor CPU cu transmisie TCP de 12 GB/s pe o interfață de 100 GbE și a nucleului NVMeG4-IP, capabil să atingă performanțe incredibil de rapide de aproximativ 4 GB/s per SSD.

Introducere în kitul de evaluare Kintex® UltraScale+ KCU116

KCU116 este ideal pentru evaluarea caracteristicilor-cheie ale Kintex UltraScale+, în special a performanțelor emițător-receptorului de 28 Gbps. Acest kit este foarte potrivit pentru prototiparea rapidă bazată pe un dispozitiv FPGA XCKU5P-2FFVB676E.

Pe placă sunt incluse o DDR4-2666 pe 32 de biți de 1 GB, porturi de expansiune FMC pentru 1 x M.2 NVMe SSD și benzi PCIe Gen4 x8 pentru până la 2 interfețe SSD M.2 NVMe. Emițător-receptoarele GTY de 16 x 28 Gbps sunt disponibile atât pentru implementarea interfețelor PCIe Gen4, cât și pentru cele de 100 GbE și dispun de o varietate de interfețe periferice și logică FPGA pentru proiecte personalizate de către utilizator.

Figura 1: Kitul de evaluare KCU116. (Sursă imagine: Xilinx Inc.)

Împreună cu nucleele IP de la Design Gateway, KCU116 oferă tot ceea ce este necesar pentru a dezvolta soluții de rețea și de stocare de 100 Gbps de ultimă generație, fără a avea nevoie de suport MPSoC.

Implementarea soluțiilor de rețea și de stocare de 100 Gbps

Figura 2: Soluție de rețea și de stocare de 100 Gbps pe KCU116. (Sursă imagine: Design Gateway)

Chiar dacă dispozitivele Kintex UltraScale+ nu dispun de tehnologia MPSoC, precum Zynq UltraScale+, procesarea protocolului de rețea și de stocare NVMe poate fi implementată fără necesitatea unor procesoare și sisteme de operare prin utilizarea soluțiilor nucleelor IP oferite de Design Gateway:

1. TOE100G-IP: nucleu IP cu stive de protocol TCP integral de 100 GbE, fără a avea nevoie de un CPU
2. NVMeG4-IP: Controler gazdă NVMe independent cu PCIe Gen4 Soft IP încorporat

Atât TOE100G-IP, cât și NVMeG4-IP pot funcționa fără a avea nevoie de CPU/sistem de operare/driver. Logica utilizatorului pentru calea de control și de date cu ambele IP-uri poate fi implementată prin logică hardware pură sau sistem de operare tradițional de către Microblaze, permițând dezvoltarea mai rapidă și mai ușoară a aplicațiilor și algoritmilor de nivel înalt, fără a fi nevoie să vă faceți griji cu privire la protocoale complicate de rețea și NVMe. Acest lucru deschide noi oportunități pentru soluții avansate la nivel de sistem, cum ar fi captarea datelor de la senzori, calculul la bord și dispozitivele de calcul Edge bazate pe inteligență artificială.

TOE100G-IP de la Design Gateway pentru dispozitivul UltraScale+

Figura 3: Sisteme TOE100G-IP. (Sursă imagine: Design Gateway)

Nucleul IP TOE100G implementează stiva TCP/IP (în logica cablajului) se conectează cu modulul de subsistem Ethernet de 100 Gb de la Xilinx pentru hardware-ul de nivel inferior. Interfața cu utilizatorul a TOE100G IP constă dintr-o interfață de registru pentru semnalele de control și o interfață FIFO pentru semnalele de date. IP-ul TOE100G este conceput pentru a se conecta cu subsistemul 100 Gb Ethernet care utilizează un AXI4-ST pe 512 biți pentru a se conecta la interfața cu utilizatorul. Subsistemul Ethernet, furnizat de Xilinx, include funcțiile EMAC, PCS și PMA. Frecvența ceasului interfeței cu utilizatorul a subsistemului Ethernet de 100 Gb este egală cu 322,265625 MHz.

Caracteristicile TOE100G-IP

• Implementarea completă a stivei TCP/IP
• Acceptă o sesiune de către un singur IP TOE100G (multisesiunea poate fi implementată prin utilizarea mai multor IP-uri TOE100G))
• Acceptă atât modul server, cât și modul client (deschidere și închidere pasiv/activ)
• Acceptă cadrul Jumbo
• Interfață de date simplă prin interfața FIFO standard
• Interfață de control simplă prin interfață RAM cu un singur port

Utilizările resurselor FPGA pe dispozitivul FPGA XCKU5P-2FFVB676E sunt prezentate în Tabelul 1 de mai jos.

Tabelul 1: Exemplu de statistici de implementare pentru dispozitivul Kintex Ultrascale+

Mai multe detalii despre TOE100G-IP sunt descrise în fișa sa de date, care poate fi descărcată de pe site-ul Design Gateway.

Controler gazdă NVMe PCIe Gen4 de la Design Gateway pentru emițător-receptoare GTY

Kintex UltraScale+ dispune de un transceiver GTY capabil să accepte o interfață PCIe Gen4, dar nu este disponibile un bloc integrat PCIe Gen4 și un procesor ARM.

Design Gateway a rezolvat această problemă dezvoltând nucleul NVMeG4-IP, care poate funcționa ca un controler gazdă NVMe independent, cu PCIe soft IP și PCIe bridge logic încorporate într-un singur nucleu. Activarea accesului la SSD NVMe PCIe Gen4 simplifică interfața cu utilizatorul și permite proiectarea de funcții standard pentru o utilizare ușoară, fără a fi nevoie de cunoștințe despre protocolul NVMe.

Figura 4: Schemă-bloc NVMeG4-IP. (Sursă imagine: Design Gateway)

Caracteristicile NVMeG4-IP

• Capabil să implementeze stratul de aplicație, stratul de tranzacție, stratul de legătură de date și unele părți ale stratului fizic pentru a accesa SSD-ul NVMe fără un procesor sau o memorie DDR externă
• Funcționează cu Xilinx PCIe PHY IP configurat ca o interfață PCIe Gen4 cu 4 benzi (interfață de magistrală pe 256 de biți)
• Include un tampon de date RAM de 256 Kbyte
• Acceptă șase comenzi, și anume Identificare, Oprire, Scriere, Citire, SMART și Golire (suport pentru comenzi suplimentare opționale disponibil)
• Frecvența ceasului utilizatorului trebuie să fie mai mare sau egală cu a ceasului PCIe (250 MHz pentru Gen4)

Utilizările resurselor FPGA pe dispozitivul FPGA XCKU5P-2FFVB676E sunt prezentate în Tabelul 2 de mai jos.

Tabelul 2: Exemplu de statistici de implementare pentru dispozitivul Kintex Ultrascale+.

Mai multe detalii despre NVMeG4-IP sunt descrise în fișa sa de date, care poate fi descărcată de pe site-ul Design Gateway.

Exemplu de implementare TOE100G-IP și rezultate de performanță pe KCU116

Figura 5 prezintă prezentarea generală a proiectului de referință pe baza KCU116 pentru a demonstra implementarea TOE100G-IP. Sistemul demonstrativ include sisteme Microblaze cu sistem de operare tradițional, logică de utilizator și subsisteme Ethernet 100 Gb de la Xilinx.

Figura 5: Schemă-bloc cu sistemele demonstrative TOE100G-IP. (Sursă imagine: Design Gateway)

Sistemul demonstrativ este conceput pentru a evalua funcționarea TOE100G-IP atât în modul client, cât și în modul server. Logica de testare permite trimiterea și primirea de date cu un model de testare pentru cea mai mare viteză de date posibilă pe partea interfeței cu utilizatorul. Pentru o interfață de 100 GbE cu KCU116, sunt necesare patru emițator-receptoare SFP+ (25GBASE-R) și cablu de fibră optică,conform ilustrației din Figura 6.

Figura 6: Mediu demonstrativ TOE100G-IP configurat pe KCU116. (Sursă imagine: Design Gateway)

În Figura 7 este prezentat un exemplu de rezultat al testului de comparare a 100G cu altele (1G/10G/25G/40G).

Figura 7: Comparare a performanțelor TOE100G-IP cu 1G/10G/25G/40G pe KCU116. (Sursă imagine: Design Gateway)

Rezultatul testului demonstrează că TOE100G-IP este capabil să atingă o viteză de transmisie TCP de aproximativ 12 GB/s.

Exemplu de implementare NVMeG4-IP și rezultate de performanță pe KCU116

Figura 8 prezintă prezentarea generală a proiectului de referință pe baza KCU116 pentru a demonstra implementarea 1CH NVMeG4-IP. Este posibilă implementarea mai multor instanțe de NVMeG4-IP pentru a obține performanțe de stocare mai înalte dacă resursele FPGA sunt disponibile din proiectul personalizat de utilizator.

Pentru mai multe detalii despre proiectul de referință NVMeG4-IP, consultați documentul cu proiectul de referință NVMeG4-IP furnizat pe site-ul Design Gateway.

Figura 8: Prezentare generală a proiectului de referință NVMeG4-IP. (Sursă imagine: Design Gateway)

Sistemul demonstrativ este conceput pentru a scrie/verifica date cu SSD NVMe pe KCU116. Utilizatorul controlează operațiunea de testare prin intermediul unei console seriale. Pentru ca SSD-ul NVMe să asigure o interfață cu KCU116, este necesară o placă adaptoare AB18-PCIeX16, conform ilustrației din Figura 9.

Figura 9: Mediu demonstrativ NVMeG4-IP configurat pe KCU116. (Sursă imagine: Design Gateway)

Exemplul de rezultat al testării la rularea sistemului demonstrativ pe KCU116 în timp ce se utilizează Samsung 970 Pro de 512 GB este prezentat în Figura 10.

Figura 10: Performanța de citire/scriere SSD NVMe pe KCU116 utilizând Samsung 970 PRO S. (Sursă imagine: Design Gateway)

Concluzie

Atât nucleul TOE100G-IP, cât și NVMeG4-IP oferă soluția de utilizare a capacității de conectivitate de 100 Gbps pe placa KCU116 pentru implementarea aplicațiilor de rețea și de stocare NVMe. Un TOE100G-IP este capabil să transmită aproximativ 12 GB TCP pe 100 GbE. NVMeG4-IP poate oferi stocare de foarte înaltă performanță cu NVMe PCIe Gen4 la aproximativ 4 GB/s per SSD. Mai multe instanțe de NVMeG4-IP pot fi utilizate pentru a forma un controler RAID0 și pot crește performanța de stocare astfel încât să corespundă vitezei de transmisie de 100 GbE.

Kitul de evaluare KCU116 și soluțiile IP de rețea și de stocare de la Design Gateway oferă posibilitatea de a atinge obiectivul celei mai înalte performanțe posibile cu cea mai mică utilizare posibilă a resurselor FPGA pentru o soluție sau un produs foarte eficient din punct de vedere al costurilor pe baza dispozitivului Xilinx® Kintex UltraScale+®.

Mai multe detalii despre TOE100G-IP și NVMeG4-IP, fișa de date, proiectul de referință disponibil și configurarea mediului demo sunt disponibile pe site-ul Design Gateway la adresa:

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

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