CN210776674U - 一种fpga加速卡 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及计算机运算技术领域,提供了一种FPGA加速卡,包括芯片单元、连接器、内存单元、程序存储单元、调试接口单元以及电源电路;芯片单元包括至少一个FPGA芯片,FPGA芯片为Xilinx FPGA芯片;连接器与FPGA芯片连接;内存单元与FPGA芯片连接;程序储存单元与FPGA芯片连接;调试接口单元与FPGA芯片连接;电源电路与芯片单元、内存单元以及程序储存单元均连接。采用Xilinx FPGA芯片,其在具备高性能计算能力的同时,具有较低的功耗,从而可以有效降低FPGA加速卡的整体功耗;Xilinx FPGA芯片的整体尺寸小,有助于FPGA加速卡的小型化,使得FPGA加速卡可以部署于各种服务器中,具有非常广泛的应用场景。
Description
技术领域
本实用新型涉及计算机运算技术领域,更具体地说,是涉及一种FPGA加速卡。
背景技术
随着编码解码、数据压缩和存储、加密等运算越来越复杂,联网设备及其产生的数据量日益增加,数据从联网设备到达数据中心的速度在不断加快,需要处理器的处理能力越来越高。传统处理器本身已无法满足高性能计算(HPC)应用软件的性能需求,导致需求和性能之间出现缺口,采用专用处理器来扩展处理器是解决性能瓶颈的一种可靠途径。FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)作为协处理器设计的基础,各种工作负载都可以得到增强,从而适应不断增加的数据,满足最新的数据分析需求。
FPGA可通过与工作负载(例如数据压缩、数据加密、数据脱敏、基因测序、人工智能、机器学习、图片处理、视频编码等)完全匹配的数据路径完成动态再编程,这种通用性有助于提供更快的处理功能,以及能效更高、延迟更低的服务,从而帮助用户降低总体拥有成本,最大限度地提高计算能力。
然而,目前的FPGA加速卡在提高计算能力的同时,其功耗也会增大,导致整体能耗开销巨大。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种FPGA加速卡,以解决现有技术中存在的FPGA加速卡功耗高导致能耗开销巨大的技术问题。
为实现上述目的,本实用新型采用的技术方案是:提供一种FPGA加速卡,包括:
芯片单元,所述芯片单元包括至少一个FPGA芯片,所述FPGA芯片为Xilinx FPGA芯片;
连接器,与所述FPGA芯片连接;
内存单元,与所述FPGA芯片连接;
程序储存单元,与所述FPGA芯片连接;
调试接口单元,与所述FPGA芯片连接;
电源电路,与所述FPGA芯片、所述内存单元以及所述程序储存单元相连接。
在一个实施例中,所述FPGA加速卡的长度为45毫米~167.65毫米,所述FPGA加速卡的高度为45毫米~68.9毫米。
在一个实施例中,所述连接器包括供电信号引脚、通信信号引脚以及辅助信号引脚;
所述通信信号引脚以及所述辅助信号引脚均与所述FPGA芯片连接;
所述供电信号引脚与所述电源电路连接。
在一个实施例中,所述内存单元包括至少两个内存芯片,每个所述内存芯片包括至少两个DDR4内存颗粒;
所述内存芯片与所述FPGA芯片的高性能接口块连接。
在一个实施例中,每个所述内存芯片至少包括5个所述DDR4内存颗粒。
在一个实施例中,所述程序储存单元包括至少两个QSPI Flash芯片,所述至少两个QSPI Flash芯片均与所述FPGA芯片连接。
在一个实施例中,所述调试接口单元包括至少一组JTAG调试接口,所述JTAG调试接口通过电平转换芯片与所述FPGA芯片连接。
在一个实施例中,所述FPGA加速卡还包括时钟单元,所述时钟单元包括第一时钟芯片、第二时钟芯片以及第三时钟芯片;
所述第一时钟芯片与所述FPGA芯片连接;
所述第二时钟芯片与所述FPGA芯片连接;
所述第三时钟芯片与所述FPGA芯片连接;
所述电源电路与所述第一时钟芯片、第二时钟芯片以及第三时钟芯片均连接。
在一个实施例中,所述第一时钟芯片为100MHz差分晶振;
所述第二时钟芯片为90MHz单端晶振;
所述第三时钟芯片为50MHz单端晶振。
在一个实施例中,所述FPGA加速卡还包括电源指示灯,所述电源指示灯与所述电源电路连接;
和/或,所述FPGA加速卡还包括状态指示灯,所述状态指示灯与所述FPGA芯片连接,且与所述电源电路连接。
本实用新型提供的FPGA加速卡的有益效果至少在于:
(1)FPGA加速卡采用Xilinx FPGA芯片,其在具备高性能计算能力的同时,具有较低的功耗,从而可以有效降低FPGA加速卡的整体功耗,可以提供大数据分析、人工智能、基因组、视频转码、金融交易等多种类型的硬件加速业务,用高能效比加速用户的数据中心。
(2)由于Xilinx FPGA芯片还支持PCIe Gen3x8接口,可实现PCIe在线部分可重构,能够在不重启服务器的情况下快速切换业务逻辑,从而使得FPGA加速卡可以根据应用工作负载的加速需求,在线动态重新配置FPGA。
(3)由于Xilinx FPGA芯片的整体尺寸小,有助于采用该FPGA芯片的FPGA加速卡的小型化,使得FPGA加速卡可以部署于各种服务器中,具有非常广泛的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的FPGA加速卡的结构示意图;
图2为本实用新型实施例提供的FPGA加速卡的一种具体结构示意图。
其中,图中各附图标记:
10 | 芯片单元 | ||
20 | 连接器 | 201 | 供电信号引脚 |
202 | 通信信号引脚 | 203 | 辅助信号引脚 |
30 | 内存单元 | 301 | 内存芯片 |
40 | 程序存储单元 | 401 | QSPIFlash芯片 |
50 | 调试接口单元 | 501 | JTAG调试接口 |
502 | 电平转换芯片 | 60 | 电源电路 |
70 | 时钟单元 | 701 | 第一时钟芯片 |
702 | 第二时钟芯片 | 703 | 第三时钟芯片 |
80 | 电源指示灯 | 90 | 状态指示灯 |
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
需要说明的是,当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件,它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件,它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置,仅是为了便于描述,不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
请参阅图1,本实施例的提供了一种FPGA加速卡,包括芯片单元10、连接器20、内存单元30、程序存储单元40、调试接口单元50以及电源电路60。其中,芯片单元10包括至少一个FPGA芯片,FPGA芯片为Xilinx FPGA芯片,可以满足比较复杂、高性能的加速算法实现,同时其功耗较低,从而可以降低FPGA整体的功耗。连接器20与FPGA芯片连接,用于将FPGA芯片连接至主板,例如包括x86主处理器的主板。内存单元30与FPGA芯片连接,用于运行可执行程序。程序储存单元40与FPGA芯片连接,用于存储FPGA芯片的可执行程序。调试接口单元50与FPGA芯片连接,至少用于将FPGA芯片的可执行程序烧录至程序存储单元40以及对可执行程序进行调试。电源电路60与芯片单元10、内存单元30以及程序储存单元40均连接(图中未示出),用于将外部供电电压分别转换为FPGA加速卡中其他各部件所需要的供电电压,从而实现对各部件进行供电,例如可以将外部供电电压分别转换为芯片单元10、内存单元30以及程序储存单元40所需要的供电电压。
应当理解的是,FPGA加速卡中还可以包括其他未示出的部件,并不仅限于上述的部件,当其他部件需要供电时,电源电路60也可以将供电电压转换后为其供电。FPGA芯片的数量可以根据需要进行设置,例如可以为一个,也可以为两个甚至更多个,此处不做限制。
请参阅图2,在一个实施例中,Xilinx FPGA芯片可以是Xilinx KintexUltraScale系列FPGA芯片,采用20nm工艺制程,FPGA芯片的型号可以是XCKU115,其长度和高度均不超过45mm(毫米),整体体积小,从而有助于缩小采用该FPGA芯片的FPGA加速卡的体积,使得FPGA加速卡可以部署于各种服务器中,具有非常广泛的应用环境以及良好的应用前景。FPGA芯片的逻辑资源为660K LUTs,包括5500个DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理技术)资源,75MB存储资源,可以满足比较复杂、高性能的加速算法实现,同时其功耗较低,从而可以降低FPGA整体的功耗(整板功耗可以严格控制在75W以内)。另外,该FPGA芯片还支持PCIe(Peripheral Component Interconnect express,一种高速串行计算机扩展总线标准)Gen3 x8接口,可实现PCIe在线部分可重构,能够在不重启服务器的情况下快速切换业务逻辑。
本实施例提供的FPGA加速卡的有益效果至少在于:
(1)FPGA加速卡采用Xilinx FPGA芯片,其在具备高性能计算能力的同时,具有较低的功耗,从而可以有效降低FPGA加速卡的整体功耗,可以提供大数据分析、人工智能、基因组、视频转码、金融交易等多种类型的硬件加速业务,用高能效比加速用户的数据中心。
(2)由于Xilinx FPGA芯片还支持PCIe Gen3 x8接口,可实现PCIe在线部分可重构,能够在不重启服务器的情况下快速切换业务逻辑,从而使得FPGA加速卡可以根据应用工作负载的加速需求,在线动态重新配置FPGA。
(3)由于Xilinx FPGA芯片的整体尺寸小,有助于采用该FPGA芯片的FPGA加速卡的小型化,使得FPGA加速卡可以部署于各种服务器中,具有非常广泛的应用场景。
在一个实施例中,FPGA加速卡采用半高半长PCIe外插卡设计,其长度为45毫米~167.65毫米,高度为45毫米~68.9毫米,从而有助于FPGA加速卡尺寸的小型化,可广泛应用于多种硬件加速业务中。
请参阅图1,在一个实施例中,连接器20为金手指连接器,包括供电信号引脚201、通信信号引脚202以及辅助信号引脚203,其中通信信号引脚202以及辅助信号引脚203均与FPGA芯片连接,供电信号引脚201与电源电路60连接。在本实施例中,供电信号引脚201为12V供电信号引脚,其用于与外部电源连接,从而使得电源电路60与外部电源连通。可以理解的是,FPGA加速卡中各个部件的工作电压并不一定完全相同,因此外部电源无法直接为各个部件供电,通过电源电路60的转换,从而可以将输入电压转换为各个部件所需要的电压,实现对各个部件的供电。通信信号引脚202为PCIe信号引脚,其数量可以根据需要进行设置(例如可以为8个),FPGA芯片通过PCIe信号引脚与外部主板连接,FPGA芯片可以借此实现PCIe通信功能,双向通信带宽可以达到16GB/S。
请参阅图1,在一个实施例中,内存单元30包括至少两个内存芯片301,每个内存芯片301包括至少两个DDR4内存颗粒,内存芯片301与FPGA芯片的高性能接口块(HP Bank)连接。内存芯片301的数量可以根据需要进行设置。请参阅图2,在本实施例中,内存芯片301的数量为两个,从而组成双通道内存;内存芯片301可采用Micron MT40A512M16HA-083E,每个内存芯片301的容量是8GB,数据速率可达到2400MT/S。当然,在其他实施例中,内存芯片也可以为其他型号,并不仅限于上述的情形。
进一步地,内存芯片301所包含的内存颗粒数也可以根据需要进行设置。例如,在本实施例中,每个内存芯片301至少包括5个DDR4内存颗粒,单个内存颗粒的数据位宽为16bit,其中4个DDR4内存颗粒组成64bit数据位宽的内存扩展,另外一颗用于错误检查和纠正(Error Checking and Correcting,简写为ECC)。此时,本实施例提供的FPGA芯片访问双通道内存的带宽可以达到38.4GB/S。
请参阅图1,在一个实施例中,程序储存单元40包括至少两个QSPI Flash芯片401,其均与FPGA芯片的专用配置管教连接。两个QSPI Flash芯片401组成双通道SPI Flash,用于烧录FPGA芯片的可执行程序。请参阅图2,在本实施例中,QSPI Flash芯片401采用MicronMT25QU256,单个QSPI Flash芯片401的容量为256MB,SPI时钟可达90MHz;FPGA芯片采用Master SPI Dual Quad(x8)配置模式,结合使用外部主配置时钟(External MasterConfiguration Clock,简写为EMCCLK),FPGA程序加载速度可以达到90MB/S。
请参阅图1,在一个实施例中,调试接口单元50包括至少一组JTAG调试接口501以及电平转换芯片502,其中JTAG调试接口501通过电平转换芯片502与FPGA芯片的JTAG专用接口连接。JTAG(Joint Test Action Group,联合测试工作组)是一种国际标准测试协议(IEEE 1149.1兼容),主要用于芯片内部测试。通过JTAG调试接口501,可以将FPGA芯片的可执行程序烧录到QSPI Flash芯片401中,同时也可以对FPGA芯片的可执行程序进行调试。
请参阅图1,在一个实施例中,FPGA加速卡还包括时钟单元70,时钟单元70包括第一时钟芯片701、第二时钟芯片702以及第三时钟芯片703。其中,第一时钟芯片701与FPGA芯片的时钟输入管脚连接,用作内存单元20的参考时钟;第二时钟芯片702与FPGA芯片的时钟输入管脚连接,用于为外部主配置时钟提供时钟信号;第三时钟芯片703与FPGA芯片的时钟输入管脚连接,用作FPGA芯片的全局时钟。电源电路60与第一时钟芯片701、第二时钟芯片702以及第三时钟芯片703均连接,从而可以为第一时钟芯片701、第二时钟芯片702以及第三时钟芯片703供电。
请参阅图2,在本实施例中,第一时钟芯片701为100MHz差分晶振,其数量与内存芯片21的数量相适应,分别对应一个内存芯片21;第二时钟芯片702为90MHz单端晶振,从而可以为外部主配置时钟提供时钟信号;第三时钟芯片703为50MHz单端晶振,从而可以用作FPGA芯片的全局时钟。当然,在其他实施例中,时钟单元70中的各时钟芯片也可以为其他形式,并不仅限于上述的情形。
请参阅图1,在一个实施例中,为了对FPGA加速卡的供电状况进行指示,FPGA加速卡还包括电源指示灯80,电源指示灯80与电源电路60连接,电源指示灯80包括至少一个LED,当供电状况发生改变时,该LED的发光状态和/或发光颜色会相应发生改变(例如LED的颜色发生变化,或者LED的发光状态发生变化,或者LED的颜色和状态均发生变化)。
请参阅图1,为了对FPGA加速卡的调试状态进行指示,FPGA加速卡还包括状态指示灯90,状态指示灯90与FPGA芯片连接,且与电源电路60连接。状态指示灯90包括至少一个LED,当调试状态发生改变时,该LED的发光状态和/或发光颜色会相应发生改变(例如LED的颜色发生变化,或者LED的发光状态发生变化,或者LED的颜色和状态均发生变化)。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种FPGA加速卡,其特征在于,包括:
芯片单元,所述芯片单元包括至少一个FPGA芯片,所述FPGA芯片为Xilinx FPGA芯片;
连接器,与所述FPGA芯片连接;
内存单元,与所述FPGA芯片连接;
程序储存单元,与所述FPGA芯片连接;
调试接口单元,与所述FPGA芯片连接;
电源电路,与所述FPGA芯片、所述内存单元以及所述程序储存单元相连接。
2.如权利要求1所述的FPGA加速卡,其特征在于,所述FPGA加速卡的长度为45毫米~167.65毫米,所述FPGA加速卡的高度为45毫米~68.9毫米。
3.如权利要求1所述的FPGA加速卡,其特征在于,所述连接器包括供电信号引脚、通信信号引脚以及辅助信号引脚;
所述通信信号引脚以及所述辅助信号引脚均与所述FPGA芯片连接;
所述供电信号引脚与所述电源电路连接。
4.如权利要求1所述的FPGA加速卡,其特征在于,所述内存单元包括至少两个内存芯片,每个所述内存芯片包括至少两个DDR4内存颗粒;
所述内存芯片与所述FPGA芯片的高性能接口块连接。
5.如权利要求4所述的FPGA加速卡,其特征在于,每个所述内存芯片至少包括5个所述DDR4内存颗粒。
6.如权利要求1所述的FPGA加速卡,其特征在于,所述程序储存单元包括至少两个QSPIFlash芯片,所述至少两个QSPI Flash芯片均与所述FPGA芯片连接。
7.如权利要求1所述的FPGA加速卡,其特征在于,所述调试接口单元包括至少一组JTAG调试接口,所述JTAG调试接口通过电平转换芯片与所述FPGA芯片连接。
8.如权利要求1所述的FPGA加速卡,其特征在于,所述FPGA加速卡还包括时钟单元,所述时钟单元包括第一时钟芯片、第二时钟芯片以及第三时钟芯片;
所述第一时钟芯片与所述FPGA芯片连接;
所述第二时钟芯片与所述FPGA芯片连接;
所述第三时钟芯片与所述FPGA芯片连接;
所述电源电路与所述第一时钟芯片、第二时钟芯片以及第三时钟芯片均连接。
9.如权利要求8所述的FPGA加速卡,其特征在于,所述第一时钟芯片为100MHz差分晶振;
所述第二时钟芯片为90MHz单端晶振;
所述第三时钟芯片为50MHz单端晶振。
10.如权利要求1~9任一项所述的FPGA加速卡,其特征在于,所述FPGA加速卡还包括电源指示灯,所述电源指示灯与所述电源电路连接;
和/或,所述FPGA加速卡还包括状态指示灯,所述状态指示灯与所述FPGA芯片连接,且与所述电源电路连接。
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CN111884952A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-11-03 | 华东师范大学 | 一种基于fpga的多通道计算加速设备 |
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2019
- 2019-08-26 CN CN201921384527.3U patent/CN210776674U/zh active Active
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CN111884952A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-11-03 | 华东师范大学 | 一种基于fpga的多通道计算加速设备 |
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