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Hohe Bandbreite und Security

FPGAs mit HBM

Die Bausteine der Versal HBM Familie
Die Bausteine der Versal HBM Familie
© Xilinx

Xilinx erweitert seine Versal-Familie um eine weitere Serie: Versal HBM. Wie der Name vermuten lässt: Dabei handelt es sich um Versal-Komponenten mit integriertem HBM (High Bandwidth Memory).

»Die Entwicklung von Versal HBM ist unsere Antwort auf drei wichtige Probleme/Trends in der Industrie: Die Speicherbandbreite stagniert mehr oder minder, die Menge der Daten, die verarbeitet werden müssen, steigt exponentiell und Security der Daten ist ebenfalls ein Problem«, erklärt Mike Thompson, Senior Product Line Manager bei Xilinx. Darüber hinaus stelle in traditionellen Ansätzen auch oft der Netzwerkzugang einen Engpass dar.

»Versal HBM überwindet all diese Einschränkungen. Damit ist es möglich die Rechenleistung auf ein Maximum zu steigern, die Leistungsaufnahme und den Flächenbedarf zu minimieren und die Latenzzeiten in der Applikation zu verringern«, so Thompson weiter.

Um Faktoren besser

Durch die Kombination von schnellem Speicher, Security und Adaptable Computing (FPGA-Logik) erreicht Xilinx laut Thompson bemerkenswerte Leistungssteigerungen:

  • Die Speicherbandbreite mit 820 GB/s wurde im Vergleich zu vier DDR5-Komponenten mit 102GB/s um den Faktor 8 erhöht bei einer um 63 Prozent niedrigeren Leistungsaufnahme.
  • Die Transceiver auf den neuen Versal HBM Komponenten sind im Vergleich zu Virtex UltraScale+-FPGAs mit 58G PAM4-Transceivern um den Faktor 2 schneller.
  • Die Logikdichte bei Versal HBM wurde im Vergleich zu Virtex UltraScale+ um den Faktor 2 erhöht.

Die Zielmärkte, die Xilinx mit den neuen Komponenten adressiert, sind Networking, Data-Center, Test&Measurement sowie Aerospace&Defense, wobei Thompson davon ausgeht, dass die ersten Kunden für diese ICs aus dem Networking- und Datacenter-Bereich kommen werden

Versal HBM ist die letzte Serie aus der Versal-Familie, die nicht für KI-Anwendungen optimiert ist. Versal Prime, die erste Serie aus dieser Gruppe, wurde erst Ende 2018 vorgestellt und befindet sich mittlerweile in Produktion. »Der schnelle Roll-out von Versal Premium, Muster stehen mittlerweile zur Verfügung, und jetzt Versal HBM ist möglich, weil wir ein hohes Maß an Design-Reuse betreiben. Die Bausteine von Versal Premium basieren auf Versal Prime, wobei in dem Fall noch festverdrahtete Funktionen wie 112-Gb/s PAM4-Transceiver, 400-G High-Speed-Verschlüsselungs-Engines oder 600G-Interlaken-Cores dazukamen. Versal HBM wiederum baut auf Versal Premium auf, plus dem HBM-Subsystem.«

Für die Fertigung der Bausteine wird nicht nur die 7-nm-Prozesstechnik von TSMC genutzt, sondern auch die SSI-Technologie, die in der ersten Generation noch CoWoS hießt und eine 2.5-D-Integrationsmöglichkeit bietet. Bei den neuen HBM-Bausteinen wurde ein Logik-Die (SLR: Super Logic Region) mit einem HBM-Stack ersetzt und eine weitere SLR insofern verändert als dass jetzt auf dieser SLR ein HBM-Controller integriert ist.

Die Versal HBM-Serie bietet 5,6 TB/s serielle Bandbreite mit 112 Gb/s PAM4-Transceivern, 2,4 TB/s skalierbare Ethernet-Bandbreite, 1,2 TB/s Line-Rate-Verschlüsselungsdurchsatz, 600 Gb/s Interlaken-Konnektivität und 1,5 TB/s PCIe Gen5-Bandbreite mit integrierter DMA, die sowohl CCIX als auch CXL unterstützt.

Die Versal HBM-Serie ist mit flexiblen Engines für Hardware-Parallelität mit geringer Latenz, DSP-Engines für KI-Inferenz und Signalverarbeitung sowie skalare Engines für Embedded Computing, Plattformmanagement und sicheres Booten und Konfigurieren ausgestattet. Im Gegensatz zu Beschleunigern mit festen Funktionen kann die Versal-HBM-Serie die Hardware innerhalb von Millisekunden dynamisch rekonfigurieren und sich an weiterentwickelte Algorithmen und neu hinzukommende Protokolle anpassen, wodurch die Notwendigkeit eines Hardware-Redesigns und einer Neuimplementierung entfällt.

Die Versal HBM ACAPs érmöglichen auch eine Netzwerkskalierbarkeit und Leistung für 800G-Router, Switches und Sicherheits-Appliances. Eine herkömmliche NPU-Implementierung einer 800G-Firewall der nächsten Generation würde mehrere NPU-Geräte und DDR-Module erfordern, wohingegen ein einziger Versal HBM ACAP externe Speicher überflüssig macht und die Paketverarbeitung, Sicherheitsverarbeitung und anpassungsfähige KI-infundierte Anomalieerkennung bei deutlich geringerem Stromverbrauch und einem Bruchteil des Formfaktors durchführt. Die Serie bietet erhebliche CapEx- und OpEx-Einsparungen für Cloud- und Netzwerkanbieter, indem sie es Kunden ermöglicht, weniger Geräte und Systeme für die Implementierung ihrer Anwendungen zu verwenden.

Die Versal HBM ACAPs sind sowohl für Hardware- als auch für Software-Entwickler geeignet und bieten einen Design-Einstiegspunkt für jeden Entwickler. Dazu gehören die Vivado Design Suite für Hardware-Entwickler, die Vitis Unified Software-Plattform für Software-Entwickler und Vitis AI für Datenspezialisten mit domänenspezifischen Frameworks und Accelerator-Bibliotheken

Die Versal HBM-Serie baut auf der bewährten Produktreihe der 7-nm-Versal-Bausteine auf. Entwickler können mit dem Prototyping auf den Bausteinen und Evaluierungsboards der Versal Premium-Serie beginnen und problemlos auf die Versal HBM-Serie migrieren. Die Versal-HBM-Serie wird in der ersten Hälfte des Jahres 2022 mit der Bemusterung anlaufen. Die Dokumentation ist ab sofort verfügbar und die Tools werden in der zweiten Hälfte 2021 über ein Early-Access-Programm erhältlich sein.

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