Xilinx 的 KCU116：經濟實惠的 100 Gbps 網路和儲存 FPGA 開發平台

Xilinx® 的 Kintex® UltraScale+™ 系列被視為每瓦性價比最平衡的 FPGA 元件，並以 TSMC 16 nm FinFET 技術打造而成。此元件結合新的 UltraRAM 和新的互連最佳化技術 (SmartConnect)，針對需要 100 Gbps 連接核心之高階能力收發器的應用，提供最符合成本效益的解決方案。此系列專為網路和儲存應用而設計，例如網路封包處理和無線 MIMO 技術、100 Gbps 有線網路、工業和資料中心網路加速，以及 NVMe SSD (固態硬碟) 儲存加速。本文將展示 100 Gbps TCP 卸載引擎網路和 NVMe SSD 解決方案，在 Xilinx 的 KCU116 評估套件上的實作情況，其中使用 Design Gateway 的 TOE100G-IP 核心和 NVMeG4-IP 核心；前者用於 CPU 解決方案，透過 100 GbE 介面提供 12 GB/s TCP 傳輸，後者可達到驚人的快速效能，各 SSD 大約 4 GB/s。

Kintex® UltraScale+ KCU116 評估套件簡介

KCU116 非常適合評估關鍵的 Kintex UltraScale+ 特點，尤其是 28 Gbps 收發器效能。此套件非常適合以 XCKU5P-2FFVB676E FPGA 元件為基礎進行快速原型開發。

板件上包含板載 1 GB 32 位元 DDR4-2666、用於 1 x M.2 NVMe SSD 的 FMC 擴充連接埠，以及用於最多 2 x M.2 NVMe SSD 介面的 PCIe Gen4 x8 線道。16 x 28 Gbps GTY 收發器可用於 PCIe Gen4 和 100 GbE 介面實作，並具有多種周邊裝置介面，及用於使用者客製化設計的 FPGA 邏輯。

圖 1：KCU116 評估套件。(圖片來源：Xilinx Inc.)

KCU116 與 Design Gateway 的 IP 核心，共同為開發最先進的 100 Gbps 網路和儲存解決方案提供所需的一切要素，且無需 MPSoC 支援。

100 Gbps 網路和儲存解決方案的實作

圖 2：KCU116 上 100 Gbps 網路和儲存解決方案。(圖片來源：Design Gateway)

儘管 Kintex UltraScale+ 元件沒有 Zynq UltraScale+ 之類的 MPSoC 技術，但利用 Design Gateway 的 IP 核心解決方案，無需處理器和作業系統，即可實作網路與 NVMe 儲存協定處理：

1. TOE100G-IP：100 GbE 完整 TCP 協定堆疊 IP 核心 (無需 CPU)
2. NVMeG4-IP：內建 PCIe Gen4 軟體 IP 的獨立 NVMe 主機控制器

TOE100G-IP 和 NVMeG4-IP 都不需要 CPU／作業系統／驅動程式，即可運作。Microblaze 的純硬體邏輯或裸機作業系統，能為具有這兩種 IP 的控制和資料路徑實作使用者邏輯，進而更快更輕鬆地開發高階應用程式和演算法，而無需擔心複雜的網路和 NVMe 協定。這為感測器資料擷取、板載運算和 AI 型邊緣運算裝置等先進系統級解決方案，開啟了新的機會。

Design Gateway 的 UltraScale+ 元件用 TOE100G-IP

圖 3：TOE100G-IP 系統。(圖片來源：Design Gateway)

TOE100G IP 核心可針對下層硬體，使用 Xilinx 的 100 Gb 乙太網路子系統模組實作 TCP/IP 堆疊 (固線邏輯) 連接。TOE100G IP 的使用者介面包含用於控制訊號的暫存器介面，以及用於數據訊號的 FIFO 介面。TOE100G IP 專用於和 100 Gb 乙太網路子系統連接，而此子系統使用 512 位元 AXI4-ST 連接到使用者介面。Xilinx 提供的乙太網路子系統包括 EMAC、PCS 和 PMA 功能。100 Gb 乙太網路子系統的使用者介面時脈頻率為 322.265625 MHz。

TOE100G-IP 的特點

• 完整 TCP/IP 堆疊實作
• 一個 TOE100G IP 支援一個工作階段 (可使用多個 TOE100G IP 來實作多個工作階段)
• 支援伺服器和用戶端模式 (被動／主動開啟和關閉)
• 支援巨大訊框
• 以標準 FIFO 介面提供簡易數據介面
• 以單埠 RAM 介面提供簡易控制介面

下方表 1 顯示 XCKU5P-2FFVB676E FPGA 元件上的 FPGA 資源使用情況。

表 1：Kintex Ultrascale+ 元件的實作統計資訊範例

如需更多詳情，請參閱 TOE100G-IP 的規格書，可從 Design Gateway 的網站下載。

Design Gateway 為 GTY 收發器提供的 NVMe PCIe Gen4 主機控制器

Kintex UltraScale+ 具有能夠支援 PCIe Gen4 介面的 GTY 收發器，但不提供 PCIe Gen4 整合式模塊與 ARM 處理器。

Design Gateway 以開發 NVMeG4-IP 核心的方式來解決這個問題，此核心能當作獨立的 NVMe 主機控制器運作，在單一核心中內建 PCIe 軟體 IP 和 PCIe 橋接器邏輯。促成 NVMe PCIe Gen4 SSD 存取功能，即可簡化使用者介面，並可導入標準特點設計，便能方便使用，亦無需瞭解 NVMe 協定。

圖 4：NVMeG4-IP 方塊圖。(圖片來源：Design Gateway)

NVMeG4-IP 的特點

• 無需 CPU 或外部 DDR 記憶體，即可實作應用層、交易層、數據鏈路層，以及實體層的某些部分，以存取 NVMe SSD
• 可搭配設定為 4 線道 PCIe Gen4 (256 位元匯流排介面) 的 Xilinx PCIe PHY IP 一同運作
• 包含 256 KB RAM 資料緩衝區
• 支援六個命令，即識別 (Identify)、關機 (Shutdown)、寫入 (Write)、讀取 (Read)、SMART 以及排清 (Flush) (可選配其他命令支援)
• 使用者時脈頻率必須大於或等於 PCIe 時脈 (Gen4 為 250 MHz)

下方表 2 顯示 XCKU5P-2FFVB676E FPGA 元件上的 FPGA 資源使用情況。

表 2：Kintex Ultrascale+ 元件的實作統計資訊範例。

如需更多詳情，請參閱 NVMeG4-IP 的規格書，可從 Design Gateway 的網站下載。

KCU116 上的 TOE100G-IP 實作和效能結果範例

在圖 5 中，可概覽以 KCU116 為基礎的公版設計，以示範 TOE100G-IP 的實作。示範系統包括裸機 OS Microblaze 系統、使用者邏輯，以及 Xilinx 的 100 Gb 乙太網路子系統。

圖 5：TOE100G-IP 示範系統方塊圖。(圖片來源：Design Gateway)

示範系統專用於評估 TOE100G-IP 在用戶端和伺服器模式下的運作。測試邏輯能以測試模式傳送和接收資料，盡可能在使用者介面端達到最快的資料速度。KCU116 的 100 GbE 介面需要 4 個 SFP+ 收發器 (25GBASE-R) 和光纖纜線，如圖 6 所示。

圖 6：KCU116 上的 TOE100G-IP 示範環境設置。(圖片來源：Design Gateway)

100G 與其他速度 (1G/10G/25G/40G) 比較下的測試結果範例，如圖 7 所示。

圖 7：KCU116 的 TOE100G-IP 在 1G/10G/25G/40G 下的效能比較。(圖片來源：Design Gateway)

測試結果顯示，TOE100G-IP 能夠達到約 12 GB/s TCP 的傳輸速度。

KCU116 上的 NVMeG4-IP 實作和效能結果範例

在圖 8 中，可概覽以 KCU116 為基礎的公版設計，以示範 1CH NVMeG4-IP 的實作。如果可從使用者客製化設計中獲得 FPGA 資源，則能實作多個 NVMeG4-IP 實例，達到更高的儲存效能。

如需進一步瞭解 NVMeG4-IP 公版設計，請參閱 Design Gateway 網站上的 NVMeG4-IP 公版設計文件。

圖 8：NVMeG4-IP 公版設計概覽。(圖片來源：Design Gateway)

示範系統可使用 KCU116 上的 NVMe SSD 寫入／驗證資料。使用者可透過序列控制台控制測試作業。為了讓 NVMe SSD 介接 KCU116，需要一個 AB18-PCIeX16 配接器板，如圖 9 所示。

圖 9：KCU116 上的 NVMeG4-IP 示範環境設置。(圖片來源：Design Gateway)

使用 512 GB Samsung 970 Pro 時，在 KCU116 上執行示範系統的範例測試結果，如圖 10 所示。

圖 10：使用 Samsung 970 PRO S 時，KCU116 上的 NVMe SSD 讀取／寫入效能。(圖片來源：Design Gateway)

結論

TOE100G-IP 和 NVMeG4-IP 核心所提供的解決方案，都可利用 KCU116 板上的 100 Gbps 連接能力，進行網路和 NVMe 儲存應用實作。一個 TOE100G-IP 能在 100 GbE 介面上進行大約 12 GB 的 TCP 傳輸。NVMeG4-IP 可以透過 NVMe PCIe Gen4 提供非常高的儲存效能，每個 SSD 大約為 4 GB/s。多個 NVMeG4-IP 實例可用來組成 RAID0 控制器，並可提高儲存效能以匹配 100 GbE 傳輸速度。

KCU116 評估套件和 Design Gateway 的網路和儲存 IP 解決方案，能以最低的 FPGA 資源使用量達到最高的效能目標，因而能達到以 Xilinx® Kintex UltraScale+® 元件為基礎，且成本效益極高的解決方案或產品。

如需進一步瞭解 TOE100G-IP 和 NVMeG4-IP，請參閱 Design Gateway 網站上的規格書、現有公版設計和示範環境設置：

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

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