Hitek Systems giải quyết nhu cầu của ngành về bo mạch tăng tốc dựa trên FPGA

Tóm tắt về Ban điều hành

Sau khi ra mắt dòng FPGA Intel® Agilex vào năm 2019, hiện được công nhận rộng rãi là các FPGA 7nm có hiệu năng cao nhất trong ngành¹, Hitek Systems đã nỗ lực kết hợp các FPGA Intel Agilex vào dòng bộ gia tốc hiệu năng cao của riêng mình (HiPrAcc™). Sau khi đánh giá quy trình phát triển và thiết kế bo mạch hiện tại của mình, Hitek Systems kết luận rằng việc tiêu chuẩn hóa quy trình phát triển của mình để tối đa hóa việc tái sử dụng và rút ngắn thời gian đưa ra thị trường sẽ nắm bắt tốt hơn nhu cầu ngày càng tăng đối với các bộ gia tốc dựa trên FPGA.

Để làm được điều đó, Hitek Systems đã tích hợp cơ sở hạ tầng phần cứng và phần mềm Open FPGA Stack (OFS) mã nguồn mở. Việc sử dụng các thành phần phần cứng và phần mềm OFS cơ bản, kết hợp với tài liệu kỹ thuật nguồn mở, đã giúp đơn giản hóa quy trình phát triển và tăng khả năng tái sử dụng cũng như tính di động trên dòng bộ tăng tốc PCIe.

Thông qua việc sử dụng cơ sở hạ tầng OFS, Hitek Systems hiện có sẵn hai nền tảng bộ tăng tốc dựa trên FPGA Intel Agilex 7 và nhiều nền tảng khác sẽ ra mắt vào năm 2023 và 2024.

Bối cảnh và thách thức

Hitek Systems là công ty chuyên về các bo mạch và nền tảng phát triển hỗ trợ FPGA cao cấp, hiện đại, lõi sở hữu trí tuệ (IP) mạng và sửa lỗi chuyển tiếp (FEC), phần mềm FPGA, dịch vụ thiết kế FPGA, trình điều khiển thiết bị và giao diện lập trình ứng dụng (API) có trụ sở tại Germantown, Maryland. Hitek Systems phát triển mọi thứ nội bộ, cho phép họ có một mô hình kinh doanh linh hoạt có thể được tận dụng trong thời gian ngắn để tiếp thị cho việc phát triển bo mạch tùy chỉnh.

Intel đã giới thiệu dòng FPGA Intel Agilex vào năm 2019. Kể từ đó, dòng FPGA Intel Agilex đã mở rộng để bao gồm mật độ logic và công suất từ thấp đến cao trên nhiều ứng dụng khác nhau. Dòng FPGA Intel Agilex 7 kết hợp các FPGA có hiệu NĂNG cao nhất trong ngành, mang lại hiệu năng kết cấu trên mỗi watt tốt hơn khoảng 2 lần so với các FPGA 7nm cạnh tranh¹. Các FPGA Intel Agilex 7 và FPGA SoC hiện có sẵn ở dòng F, I và M, nhắm đến nhiều ứng dụng sử dụng nhiều băng thông, sử dụng nhiều điện toán và sử dụng nhiều bộ nhớ, tương ứng.

Vào năm 2023, các dòng FPGA Intel Agilex vẫn đang mang lại hiệu năng cao nhất trong ngành và đã trở thành một sản phẩm chủ lực trong ngành FPGA nhờ hiệu năng và hiệu quả sử dụng năng lượng hàng đầu. Do đó, nhu cầu của người dùng cuối về thẻ tăng tốc dựa trên FPGA Intel Agilex, đặc biệt là những thẻ hỗ trợ luồng phát triển cấp cao với oneAPI, chỉ mới tăng lên gần đây.

Tuy nhiên, việc phát triển các bo mạch dựa trên FPGA tùy chỉnh ngay từ đầu rất phức tạp và tốn nhiều thời gian, đặc biệt với các FPGA hiệu năng cao vượt quá giới hạn hiệu năng của thẻ PCIe. Ngoài ra, việc chuyển các thiết kế FPGA hiện có sang các FPGA của nhà cung cấp khác nhau hoặc các FPGA kiểu mẫu khác nhau cũng là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn do có IP, công cụ, thư viện và phần cứng tích hợp của nhà cung cấp khác nhau, chẳng hạn như tốc độ dữ liệu kép (DDR), xử lý tín hiệu số. (DSP) và I/O, khác nhau giữa các nhà sản xuất và dòng FPGA.

Nếu không có cơ sở hạ tầng được tiêu chuẩn hóa và có thể tái sử dụng, nhiều bo mạch tùy chỉnh yêu cầu nhiều gói hỗ trợ bo mạch (BSP) phải được xây dựng, phát triển và bảo trì riêng biệt. Các API tùy chỉnh và các công cụ phần mềm cũng cần thiết cho mỗi thẻ FPGA, gây khó khăn cho việc quản lý và bảo trì trên các dòng FPGA và các phiên bản công cụ. Mảng thẻ này, sử dụng các API, công cụ và phiên bản khác nhau, cũng đòi hỏi mức độ hỗ trợ khách hàng cao.

Để tận dụng công nghệ FPGA mới nhất và hoạt động tốt nhất, đáp ứng nhu cầu của thị trường này và đưa các giải pháp của chúng tôi ra thị trường sớm hơn, Hitek Systems nhận thấy cần phải áp dụng cách tiếp cận hợp nhất và tiêu chuẩn hóa cho danh mục bo mạch của họ.

Giải pháp

Để giúp các nhà cung cấp bo mạch và khối lượng công việc FPGA mở rộng quy mô cũng như đưa giải pháp của họ ra thị trường sớm hơn, Intel đã phát triển và cấp nguồn mở cơ sở hạ tầng OFS, một công cụ nền tảng quan trọng để phát triển dựa trên FPGA Intel Agilex. OFS cung cấp tất cả mã nguồn phần cứng và phần mềm, tài liệu, ví dụ tham khảo và các công cụ cần thiết để bắt đầu phát triển dựa trên FPGA trong kho lưu trữ GitHub nguồn mở. Cơ sở hạ tầng tham chiếu này kết hợp tất cả các thành phần cần thiết mà các nhà phát triển bo mạch có thể sửa đổi hoặc tận dụng.

Cơ sở hạ tầng OFS cung cấp một cách tiếp cận hợp nhất để xây dựng và duy trì BSP trên toàn bộ dòng bo mạch HiPrAcc của Hitek Systems. Cơ sở hạ tầng này bao gồm Trình quản lý giao diện FPGA (FIM), thường được gọi là 'vỏ' và vùng Đơn vị chức năng tăng tốc (AFU), một vùng được chỉ định để phát triển khối lượng công việc. Bằng cách sử dụng OFS, các nhà phát triển bo mạch – hoặc FIM – có thể tận dụng cơ sở hạ tầng nguồn mở – hoặc FIM cơ sở – để nhanh chóng phát triển một FIM tùy chỉnh, phù hợp cho hội đồng của họ dựa trên ứng dụng hoặc ngành mục tiêu. Tương tự, OFS bao gồm một khung phần mềm nguồn mở nơi các nhà phát triển có thể tận dụng các trình điều khiển hạt nhân nguồn mở và luồng dữ liệu trên để tăng tốc độ tích hợp vào các khung chung. OFS cung cấp các khả năng khác, cụ thể là cấu hình lại một phần, các luồng phát triển cấp cao như oneAPI và giao diện Arm AMBA* và AXI tiêu chuẩn. OFS cho phép các nhà phát triển bo mạch chuyển tiếp giao diện AFU thống nhất, do đó cho phép khách hàng của họ, những nhà phát triển AFU, tận dụng khoản đầu tư IP của họ trên các bo mạch FPGA khác nhau.

Bằng cách áp dụng cơ sở hạ tầng OFS và luồng phát triển cũng như sử dụng các FIM cơ sở được cung cấp, Hitek Systems đã tìm thấy nhiều tiêu chuẩn hóa và tính di động hơn trên các dòng công cụ và dòng FPGA, cho phép chúng tôi phát triển BSP của mình một cách nhanh chóng với khả năng tái sử dụng nhiều hơn trên các nền tảng và cung cấp cho khách hàng của chúng tôi trải nghiệm thiết kế AFU thống nhất và có thể dự đoán được.

Kết quả

Hitek Systems đang vận chuyển và phát triển một dòng bộ tăng tốc hiệu năng cao, HiPrAcc, dựa trên FPGA Intel Agilex 7, hướng tới các ứng dụng mạng, điện toán và lưu trữ trên thẻ. Các thẻ này có sẵn ở nhiều hệ số hình dạng dựa trên PCIe khác nhau, bao gồm cấu hình thấp (HHHL-SS), chiều cao đầy đủ (FHHL-SS) và cấu hình GPU (FH¾L-DS). Thẻ cấu hình GPU được thiết kế để đặt vào bất kỳ máy chủ nào hỗ trợ GPU NVIDIA.

Hitek Systems cũng đang phát triển thêm hai thẻ HiPrAcc PCIe sử dụng FPGA Intel Agilex 7 dòng F và dòng I với các ô R và F. Những bo mạch bổ sung này sẽ được đưa vào sản xuất vào cuối năm 2023.

Cách bắt đầu tăng tốc FPGA bằng cách sử dụng Open FPGA Stack

Các nhà phát triển FPGA có thể chọn từ các bo mạch hỗ trợ HiPrAcc NC100 hoặc HiPrAcc NCS200 OFS của Hitek Systems và sử dụng tài liệu nguồn mở cũng như mã nguồn để bắt đầu xây dựng khối lượng công việc tùy chỉnh của họ.
Bảng sau đây phác thảo cách nhà phát triển có thể bắt đầu phát triển khối lượng công việc dựa trên FPGA bằng bo mạch tăng tốc của Hitek Systems.