一种基于三芯片的FPGA异构加速卡技术领域

技术领域

[0001] 本实用新型属于FPGA数据处理技术领域，尤其涉及一种基于三芯片的FPGA异构加速卡。

背景技术

[0002] 异构计算使用不同的类型的处理器来处理不同的计算任务。常见的为GPU、ASIC、DSP、FPGA。GPU大宽度并行结构，高端GPU具有非常高的双精浮点运算能力。ASIC具有指令领域的加速力。实现特殊领域的加速算法的芯片化以实现异构加速功能。DSP做加速器，利用DSP的浮点运算能力实现大型矩阵的双浮点数运算。FPGA异构加速具有灵活性高，运算速度快、实时性高等特点。

[0003] 目前，FPGA的异构计算卡PCIE gen3类型中，FPGA阵列类型在加速计算过程中编程模型存在缺点，FPGA阵列类型在加速计算过程中编程模型存在异构资源不够充足、FPGA之间交互速度不够、FPGA缺少的高速缓存、以及PCIE的传输速度较低等等缺点。为了从具有FPGA和传统处理器协同工作的异构计算系统中获得更佳的性能，需要花费大量精力将传统代码转换为适当的FPGA架构，并精心设计硬件配置以实现整体功能，上述工作需要丰富的FPGA设计专业知识和大量的成本投入，以及将数据输入和输出这些FPGA加速器的总体策略经验，才能完成任务的存储器和存储架构。

[0004] 而对于本领域的技术人员，完成上述工作非常困难。如何设计一种新型FPGA异构加速卡，解决上述技术问题成为该领域的技术难点。
实用新型内容

[0005] 针对上述技术问题，本实用新型提供了一种基于三芯片的FPGA异构加速卡，该异构加速卡实用了PCIE gen4接口的异构FPGA实现特高速的数据传输带宽与PC处理器，基于3
块高性能FPGA，能够适用于高性能的计算存储和网络加速等领域，可以显著提高异构加速
卡的性能。

[0006] 本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

[0007] 一种基于三芯片的FPGA异构加速卡，其特征在于，包括一片VU37P芯片和两片VU13P芯片第一VU13P芯片和第二VU13P芯片分别布置在一片VU37P芯片的两侧，其中：VU37P芯片BANK_127BANK_128、BANK_129、BANK_130、BANK_131、BANK_132、BANK_133BANK_134、BANK_135引脚集分别连接第一VU13P芯片的BANK_232、BANK_224、BANK_225、BANK_226、BANK_227、BANK_228、BANK_229、BANK_230、BANK_231引脚集；VU37P芯片的BANK_227、BANK_228、BANK_229、BANK_330、BANK_331、BANK_332、BANK_333、BANK_342、BANK_335引脚集分别连接第二VU13P芯片的BANK_232、BANK_231、BANK_230、BANK_229、BANK_228、BANK_227、BANK_226、BANK_225、BANK_224引脚集；VU37P芯片的BANK_224引脚集连接PCIE总线引脚。

[0008] 优选的，还包括由LTM4650芯片、LTM4644芯片、LTM4622芯片组成的电源电路，其中：12V的输入电源通过多个LTM4650芯片转换成0.85V的电源并输送至VU37P芯片的INTVCC
引脚；12V的输入电源通过LTM4644芯片转分别换成1.2V电源、1.0V电源、1.8V电源、1.2V电源、1.8V电源和2.5V电源并分别输送至VU37P芯片的MGTAVTT引脚、MGTAVCC引脚、VCCAUX引脚、VCC_HBM引脚、VCC_1V8引脚、VCCAUX_HBM引脚；12V的输入电源通过多个LTM4650芯片转换成0.85V电源并输送至第一VU13P芯片的INTVCC引脚；12V的输入电源通过多个LTM4644芯片分别转换成0.9V电源和1.2V电源并分别输送至第一VU13P芯片的MGTAVCC引脚和MGTAVTT
引脚；12V的输入电源通过LTM4622芯片转换成1.8V电源并输送至第一VU13P芯片的VCC1V8
引脚；12V的输入电源通过多个LTM4650芯片转换成0.85V电源并输送至第二VU13P芯片的
INTVCC引脚；12V的输入电源通过多个LTM4644芯片分别转换成0.9V电源和1.2V电源并分别
输送至第二VU13P芯片的MGTAVCC引脚和MGTAVTT引脚；12V的输入电源通过LTM4622芯片转
换成1.8V电源并输送至第二VU13P芯片的VCC1V8引脚。

[0009] 优选的，还包括由切换开关和JTAG调试接口组成的JTAG调试电路，JTAG调试接口通过切换开关连接VU13P芯片的TDI引脚、TMS引脚、TCK引脚和TDO引脚，JTAG调试接口通过切换开关连接VU37P芯片的TDI引脚、TMS引脚、TCK引脚和TDO引脚。

[0010] 优选的，还包括散热座、盖板、以及安装芯片用的电路板，其中：散热座为长方体结构，散热座的四个侧面被均匀切出多个散热齿，散热座的中部设置有安装腔，散热座的四角处设置有X型连接臂，X型连接臂的末端设置有连接孔，散热齿接触X型连接臂的位置形成弧形齿根；盖板由盖体和多个安装耳组成，电路板安装在盖板和安装腔组成的空腔内。

[0011] 优选的，盖板与安装腔之间设置有密封圈。散热座的底部设置有一个或多个圆形底腔，圆形底腔与散热齿重合的部分开设有齿台以确保圆形底腔底部平整，圆形底腔内安
装有散热风扇。散热座的侧面开设有侧通口，侧通口上安装有多个接口。

[0012] 本实用新型的一种基于三芯片的FPGA异构加速卡具有以下有益效果：

[0013] 1）该异构加速卡在同一个块硬件板卡加载了三颗高性能FPGA，采用高速硬件电路设计技术实现多路板内芯片高速互联的功能，同时，利用一个接口即可完成多个FPGA的配
置工作，该加速卡的总片上集成存储器内存可达500Mb，高带宽存储器内存可达16GB，还支持PCIe第4代和速度高达32.75Gb/s的收发器。此外，该异构加速卡实用了PCIE gen4接口的异构FPGA实现特高速的数据传输带宽，其速度远高于传统PCIE的传输速度。

[0014] 2）该异构加速卡基于Xilinx UltraScale的16 nm 一片VU37P芯片和两个VU13P芯片方案基础上研发的一款FPGA PCI‑Express v3.0 x16加速计算卡，该异构加速卡拥有高
吞吐量、低延时的网络处理能力以及辅助CPU进行网络功能卸载的能力，达到节约CPU算力，降低CPU占用同时也降低功耗。

[0015] 3） 该异构加速卡配置的散热座采用导热金属材料，并在整个侧面设计了散热齿，利用四周的散热齿以及底部的散热风扇能够有效降低加速卡的温度，特别是，底部的圆形底腔与散热齿采用重合布局方案，能够尽可能的加速散热齿之间的气体流动。弧形齿根的
设计方案，能够极大减少壁厚，提升导热能力。