本文是第一篇詳細介紹HBM在FPGA上性能實測結果的頂會論文（FCCM2020，Shuhai: Benchmarking High Bandwidth Memory on?FPGAs），作者是浙江大學王則可博士！感謝王則可博士允許本公眾號轉載該論文的中文譯文。論文給出了FPGA上HBM可提供高達425GB/s內存帶寬的實測結果！結合前兩天，本公眾號轉發(fā)老石的文章，目前采用Chiplet技術的光口速率可以達到驚人的2Tbps。而本文介紹的同樣采用Chiplet技術的HBM，訪存帶寬高達425GB/s，那么采用這樣光口和緩存的網卡會是一種怎樣的高性能呢？對NIC或者Switch內部的總線帶寬又有怎樣的要求呢？我們期待著能夠用2Tbps接口和HBM技術的NIC或者Switch的出現(xiàn)。

作者：浙江大學博士生導師王則可博士。 ? ?

隨著高帶寬內存（HBM）的發(fā)展，F(xiàn)PGA正變得越來越強大，HBM 給了FPGA 更多能力去緩解再一些應用中遇到的內存帶寬瓶頸和處理更多樣的應用。然而，HBM 的性能表現(xiàn)我們了解地還不是特別精準，尤其是在 FPGA 平臺上。這篇文章我們將會在HBM 的說明書和它的實際表現(xiàn)之間建立起橋梁。我們使用的是一款非常棒的 FPGA，Xilinx ALveo U280，有一個兩層的HBM 子系統(tǒng)。在最后，我們提出了豎亥，一款讓我們測試出所有HBM 基礎性能的基準測試工具。基于FPGA 的測試平臺相較于CPU/GPU 平臺來說會更位準確，因為噪聲會更少，后者有著復雜的控制邏輯和緩存層次。我們觀察到 1）HBM 提供高達425 GB/s 的內存帶寬，2）如何使用HBM 會給性能表現(xiàn)帶來巨大的影響，這也印證了揭開 HBM 特性的重要性，這可以讓我們選擇最佳的使用方式。作為對照，我們同樣將豎亥應用在DDR4上來展現(xiàn)DDR4 和HBM 的不同。豎亥可以被輕松部署在其他FPGA 板卡上，我們會將豎亥開源，造福社會。 ? ?

引言

現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的計算能力隨著 CMOS技術的發(fā)展持續(xù)提升，典型的例子就是應用更多的核心在同樣的區(qū)域中或者增加額外的功能到核里面去（SIMD、AVX、SGX等）。與此相反，DRAM內存的帶寬發(fā)展地十分緩慢。因此處理器和內存之間的差距越來越大，并且隨著多核設計而變得更嚴重。HBM被提出用于提供高得多的帶寬能力。HBM2 能提供高達900 GB/s 的內存帶寬。? 與同一代GPU相比，F(xiàn)PGA 帶寬能力要低幾個數(shù)量級，傳統(tǒng)的FPGA有兩個DRAM內存通道，每個提供19.2GB/s的內存帶寬。因此FPGA不能完成很多對帶寬能力要求高的應用。因此Xilinx將HBM引用到新一代FPGA中去。HBM有潛力成為改變目前局面的特性。 盡管有著潛力去解決處理器和內存間的差距，應用HBM到FPGA上還是有很多阻礙。HBM的特性不為人們所了解。

盡管和DRAM有著相同的die，HBM的特性和前者完全不同。Xilinx的HBM子系統(tǒng)也引入了很多新特性例如switch。Switch的特性同樣不為我們所了解。這些東西都會阻礙開發(fā)者利用FPGA上的HBM。 在最后我們提出了豎亥，一個可以用來測試HBM特性的基準測試工具。據(jù)我們所致，豎亥是第一個系統(tǒng)性測試FPGA上的HBM的測試平臺。我們通過以下四個方面來證明豎亥的用處。?

F1:HBM提供巨大的內存帶寬：在我們的測試平臺上，HBM提供高達425 GB/s的內存帶寬，比傳統(tǒng)使用兩個DDR4來說要高一個數(shù)量級。雖然只有GPU的一半，但是這對FPGA來說也是一個巨大的進步。?

F2:地址映射策略很重要：不同的地址映射策略會帶來數(shù)量級的速度差異。這也意味著要根據(jù)應用的不同選取不同的映射策略。?

F3:HBM延時要比DDR4高很多：HBM和FPGA的聯(lián)系是通過transceiver，帶來了額外的糾錯碼和串行并行轉換的開銷。豎亥測試出在頁命中情況下，HBM的延時是122.2ns，而DDR4僅為73.3ns。

圖1：Xilinx HBM子系統(tǒng)架構

F4:FPGA可以更精準地測量：我們將豎亥直接連接HBM模塊，使得更容易解釋測量結果，而使用CPU/GPU會引出更多的噪聲，例如緩存的影響。因此我們主張豎亥是一個更好的選項來測量內存。 ?

背景

HBM芯片采用了最新的IC封裝技術，例如直通硅通孔（TSV），堆疊式DRAM和2.5D封裝[13]，[18]。HBM的基本結構由底部的基本邏輯芯片和頂部堆疊的4或8核心DRAM芯片組成。所有管芯均通過TSV互連。Xilinx在FPGA內部集成了兩個HBM堆棧和一個HBM控制器。每個HBM堆棧都分為八個獨立的存儲通道，其中每個存儲通道又分為兩個64位偽通道。如圖1所示，只允許偽通道訪問與其關聯(lián)的HBM通道，該通道具有自己的內存地址區(qū)域。Xilinx的HBM子系統(tǒng)具有16個存儲通道，32個偽通道和32個HBM通道。 在16個存儲通道的頂部，有32個與用戶邏輯交互的AXI通道。每個AXI通道均遵循標準AXI3協(xié)議[44]，以向FPGA程序員提供經過驗證的標準化接口。每個AXI通道都與一個HBM通道（或偽通道）相關聯(lián)，因此每個AXI通道僅被允許訪問其自己的內存區(qū)域。為了使每個AXI通道都能訪問整個HBM空間，Xilinx引入了在32個AXI通道和32個偽通道之間的switch[41]，[44]。但是，由于其巨大的資源消耗，該switch尚未完全實現(xiàn)。相反，Xilinx提供了八個小型switch，其中每個小型switch為四個AXI通道及其相關的偽通道提供服務，并且在每個AXI通道都可以訪問同一小型switch中的任何偽通道，該小型switch被完全實現(xiàn)。具有相同的延遲和吞吐量。此外，兩個相鄰的微型switch之間有兩個雙向連接，用于全局尋址。 ? ?

豎亥的基本架構

在本節(jié)中，我們介紹設計方法，然后是豎亥的軟件和硬件組件。

A.設計方法論

在本小節(jié)中，我們總結了兩個具體挑戰(zhàn)C1和C2，然后介紹豎亥如何來應對這兩個挑戰(zhàn)。

C1：高層洞察力。在某種意義上，使我們的基準測試框架對FPGA程序員有意義是至關重要的，因為我們應該輕松地向FPGA程序員提供更詳盡的解釋，而不是僅僅令人費解的內存時序參數(shù)（例如行預充電時間TRP），這可用于改善FPGA上HBM存儲器的使用。?

C2：易于使用。 在對FPGA進行基準測試時，可能需要做一些小改動才能重新配置FPGA，很難實現(xiàn)易用性。因此，我們打算最大程度地減少重新配置的工作，以使在基準測試任務之間無需重新配置FPGA。換句話說，我們的基準測試框架應該允許我們將一個FPGA實例用于大量的基準測試任務，而不僅僅是一個任務。?

我們的方法。我們使用豎亥應對上述兩個挑戰(zhàn)。為了解決第一個挑戰(zhàn)C1，豎亥允許直接分析FPGA程序員使用的典型存儲器訪問模式的性能特征，并提供整體性能的詳盡說明。為了解決第二個挑戰(zhàn)，即C2，豎亥使用基準電路的運行時參數(shù)化功能來覆蓋各種基準測試任務，而無需重新配置FPGA。通過基準測試中實現(xiàn)的訪問模式，我們可以揭示FPGA上HBM和DDR4的基本特性。 豎亥采用基于兩個組件的軟件-硬件協(xié)同設計方法：軟件組件（III-B小節(jié)）和硬件組件（III-C小節(jié)）。軟件組件的主要作用是在運行時參數(shù)方面為FPGA程序員提供靈活性。利用這些運行時參數(shù)，在對HBM和DDR4進行基準測試時，我們無需頻繁地重新配置FPGA。硬件組件的主要作用是保證性能。更準確地說，豎亥應該能夠在FPGA上展現(xiàn)HBM存儲器在最大可實現(xiàn)的存儲器帶寬和最小可實現(xiàn)的延遲方面的性能潛力。為此，基準測試電路本身不能在任何時候成為瓶頸。

B.軟件組件 豎亥的軟件組件旨在提供用戶友好的接口，以便FPGA開發(fā)人員可以輕松地使用豎亥來對HBM存儲器進行基準測試并獲得相關的性能特征。為此，我們介紹了一種廣泛用于FPGA編程的存儲器訪問模式：重復順序遍歷（RST），如圖2所示。?

圖2：在豎亥中使用的內存訪問模式

RST模式遍歷一個存儲區(qū)域，一個數(shù)據(jù)陣列按順序存儲數(shù)據(jù)元素。RST重復掃描起始地址為A的大小為W的存儲區(qū)域，并且每次讀取步長為S字節(jié)的B個字節(jié)，其中B和S為2的冪。在我們測試的FPGA上，訪問大小B應為由于HBM / DDR4存儲器應用程序數(shù)據(jù)寬度的限制，對于HBM（或DDR4），其值不得小于32（或64）。步幅S不應大于工作集大小W。參數(shù)匯總在表I中。我們計算出RST發(fā)出的第i個存儲器讀/寫事務的地址T [i]，如公式1所示。可以使用簡單的算法來實現(xiàn)計算，從而減少了FPGA資源的數(shù)量，并可能實現(xiàn)更高的頻率。盡管這公式非常簡單，但是它能幫助我們了解FPGA上的HBM和DDR。

表格1:運行時參數(shù)總結

T[i] = A + (i × S)%W 公式(1)?

C.硬件組件 豎亥的硬件組件由一個PCIe模塊，M個延遲模塊，一個參數(shù)模塊和M個引擎模塊組成，如圖3所示。在下面，我們討論每個模塊的實現(xiàn)細節(jié)。

1）引擎模塊：我們直接將實例化的引擎模塊連接到AXI通道，以便引擎模塊直接服務于AXI接口，例如AXI3和AXI4 [2]，[42]，它由基礎內存IP核提供，HBM和DDR4。AXI接口包含五個不同的通道：讀取地址（RA），讀取數(shù)據(jù)（RD），寫入地址（WA），寫入數(shù)據(jù)（WD）和寫入響應（WR）[42]。此外，引擎模塊的輸入時鐘正是來自相關AXI通道的時鐘。例如，在對HBM進行基準測試時，引擎模塊的時鐘頻率為450MHz，因為其AXI通道最多允許450MHz。使用同一時鐘有兩個好處。首先，跨不同時鐘區(qū)域所需的FIFO不會引入額外的噪聲，例如更長的延遲。其次，引擎模塊能夠容納其關聯(lián)的AXI通道，不會導致內存帶寬容量的低估。 用Verilog編寫的引擎模塊由兩個獨立的模塊組成：寫入模塊和讀取模塊。寫模塊為三個與寫相關的通道WA，WD和WR提供服務，而讀模塊為兩個與讀相關的通道RA和RD提供服務。?

寫模塊。該模塊包含一個狀態(tài)機，該狀態(tài)機可以從CPU執(zhí)行內存寫入任務。該任務具有初始地址A，寫入數(shù)N，訪問大小B，步幅S和工作集大小W。公式1中指定了每個存儲器寫事務的地址。該模塊還探測WR通道，以驗證動態(tài)存儲器寫的工作已成功完成。?

讀取模塊。讀取模塊包含一個狀態(tài)機，該狀態(tài)機可以從CPU中執(zhí)行內存讀取任務。該任務具有初始地址A，讀取事務數(shù)N，訪問大小B，幅度S和工作集大小W。與寫入模塊不同，寫入模塊僅測量可實現(xiàn)的吞吐量，讀取模塊還測量每個模塊的延遲。當測試速度時，該模塊會一直嘗試滿足RA和RD。

圖3:總硬件架構，支持M個硬件引擎同時運行，在我們的實驗中，M是32

2）PCIe模塊：我們直接在時鐘頻率為250MHz的PCIe模塊中部署了用于PCI Express（PCIe）IP內核的Xilinx DMA/橋接子系統(tǒng)。我們的PCIe驅動程序將FPGA上的運行時參數(shù)映射給用戶，以便用戶能夠使用軟件代碼直接與FPGA交互。這些運行時參數(shù)決定存儲在參數(shù)模塊中的控制和狀態(tài)寄存器。

3）參數(shù)模塊：參數(shù)模塊維護運行時參數(shù)并通過PCIe模塊與主機CPU通信，從CPU接收運行時參數(shù)（例如S），并將吞吐量數(shù)據(jù)返回給CPU。? 收到運行時參數(shù)后，我們將使用它們來配置M個引擎模塊，每個引擎模塊都需要兩個256位控制寄存器來存儲其運行時參數(shù)：每個引擎模塊中的一個寄存器用于讀取模塊，另一個寄存器用于寫入模塊。在256位寄存器中，W占用32位，S占用32位，N占用64位，B占用32位，而A占用64位。剩余的32位保留供將來使用。設置完所有引擎之后，用戶可以觸發(fā)啟動信號以開始吞吐量/延遲測試。? 參數(shù)模塊還負責將吞吐量編號（64位狀態(tài)寄存器）返回給CPU。每個引擎模塊專用一個狀態(tài)寄存器。?

4）延遲模塊：我們?yōu)閷Ｓ糜贏XI通道的每個引擎模塊實例化一個延遲模塊。等待時間模塊存儲大小為1024的等待時間列表，其中等待時間列表由關聯(lián)的引擎模塊寫入并由CPU讀取。它的大小是一個綜合參數(shù)。每個包含一個8位寄存器的等待時間，指從讀取操作的發(fā)出到數(shù)據(jù)從存儲控制器到達操作的延遲。 ? ?

實驗設置

在本節(jié)中，我們介紹經過測試的硬件平臺（第IV-A小節(jié)）和探討的地址映射策略（第IV-B小節(jié)），然后是硬件資源消耗（第IV-C小節(jié)）和我們的基準測試方法（IV-D小節(jié)）。 ?

A.硬件平臺 我們在Xilinx的Alevo U280 [43]上進行實驗，該實驗具有兩個總容量為8GB的HBM堆棧和兩個總容量為32GB的DDR4內存通道。理論HBM內存帶寬可以達到450 GB / s（450M * 32 * 32B / s），而DDR4內存理論帶寬可以達到38.4GB / s（300M * 2 * 64B / s）。

B.地址映射政策 可以使用多種策略將應用程序地址映射到內存地址，其中不同的地址位映射到存儲塊，行或列地址。選擇正確的映射策略對于最大化整體內存吞吐量至關重要。表II中匯總了為HBM和DDR4啟用的策略，其中“ xR”表示x位用于行地址，“xBG”表示x位用于存儲體組地址，“ xB”表示x位用于存儲體地址，“ xC”表示x位用于列地址。HBM和DDR4的默認策略分別為“RGBCG”和“ RCB”。“-”代表地址串聯(lián)。如果沒有特別指定，我們始終對HBM和DDR4使用默認的內存地址映射策略。例如，HBM的默認策略是RGBCG。

表格2:地址映射策略，藍色的是默認

C.資源消耗明細

在本小節(jié)中，我們將敘述7種資源的消耗。 對HBM進行基準測試時，表III列出了每個實例化模塊的確切FPGA資源消耗。我們觀察到，豎亥只需要少量的資源來實例化32個引擎模塊以及PCIe模塊等其他組件，總資源利用率不到8％。

表格3：資源消耗量

D.測試方法

我們旨在揭示豎亥使用下Xilinx FPGA上的HBM堆棧的底層細節(jié)。作為衡量標準，我們在必要時還分析了同一FPGA板U280上DDR4的性能特征[43]。當我們對HBM通道進行基準測試時，我們將HBM和DDR4的性能特征進行了比較（在第五節(jié)中）。我們認為，針對HBM通道獲得的數(shù)字可以推廣到其他計算設備，例如具有HBM內存的CPU或GPU。在HBM內存控制器內部對switch進行基準測試時，由于DDR4內存控制器不包含，因此我們不與DDR進行比較（第六節(jié)）。

圖4：刷新指令帶來更高的訪問延時周期性地出現(xiàn)在HBM和DDR4中 ? ?

對HBM通道進行基準測試

在本節(jié)中，我們旨在揭示Xilinx FPGA上使用Shuhai的HBM通道的詳細信息。

A.刷新間隔的影響 當存儲通道正在運行時，應重復刷新存儲單元，以使每個存儲單元中的信息都不會丟失。在刷新周期中，不允許正常的內存讀取和寫入事務訪問內存。我們觀察到，經歷內存刷新周期的內存事務比允許直接訪問內存芯片的普通內存讀/寫事務的等待時間長得多。因此，我們能夠通過利用正常和非刷新內存事務之間的內存延遲差異來大致確定刷新間隔。特別地，我們利用豎亥來測量串行存儲器讀取操作的延遲。圖4說明了B = 32，S = 64，W = 0x1000000和N = 20000的情況。我們有兩個觀察結果。首先，對于HBM和DDR4，與刷新命令一致的存儲器讀取事務具有顯著更長的延遲，這表明需要發(fā)出足夠多的動態(tài)存儲器事務來分攤刷新命令的負面影響。其次，對于HBM和DDR4，都定期計劃刷新命令，任何兩個連續(xù)刷新命令之間的間隔大致相同。

? B.內存訪問延遲 為了準確地測量內存延遲，當內存控制器處于“空閑”狀態(tài)時，即內存控制器中不存在其他未決內存事務的情況下，我們利用豎亥來測量連續(xù)內存讀取事務的延遲。以最小的延遲將請求的數(shù)據(jù)返回到讀取的事務。我們旨在確定三種不同狀態(tài)下的延遲：page hit、page miss、page closed。

圖5.三種狀態(tài)（page hit、page closed、page miss）的延時

PageHit（頁面命中）：當內存事務訪問其存儲區(qū)中打開的行時，將發(fā)生“頁面命中”狀態(tài)，因此在訪問列之前不需要“預充電”和“激活”命令，從而將等待時間降至最低。? PageClosed（頁面關閉）：當內存事務訪問其對應存儲體已關閉的行時，將發(fā)生“頁面關閉”狀態(tài)，因此在訪問列之前需要行Activate命令。

? PageMiss（頁面丟失）：當內存事務訪問的行與存儲區(qū)中的活動行不匹配時，將發(fā)生“頁面丟失”狀態(tài)，因此在訪問列之前發(fā)出了一個Precharge命令和一個Activate命令，這導致了最大的延遲。? 我們準確測量B = 32，W = 0x1000000，N = 2000且S發(fā)生變化的情況下的等待時間數(shù)。直觀地講，小S導致?lián)糁型豁撁娴目赡苄院芨撸骃可能導致?lián)糁型豁撁驽e過頁面。在本實驗中，我們使用兩個S值：128和128K。 我們使用情況S = 128來確定頁面命中和頁面關閉事務的等待時間。S = 128小于頁面大小，因此大多數(shù)讀取事務將訪問一個打開的頁面，如圖5所示。其余點說明頁面關閉事務的等待時間，因為小S導致大量讀取特定內存區(qū)域中的事務。我們使用S = 128K的情況來確定頁面丟失事務的等待時間。S = 128K導致HBM和DDR4的每個內存事務發(fā)生頁面丟失。? 總結：我們在表IV中總結了HBM和DDR的延遲。我們有兩個觀察結果。首先，在相同的類別（如頁面點擊）下，HBM上的內存訪問延遲比DDR4上高約50納秒。這意味著當在FPGA上運行對延遲敏感的應用程序時，HBM可能有劣勢。其次，延遲數(shù)是準確的，證明了豎亥的效率。

表格4.HBM和DDR4的內存訪問，HBM的延時要高于DDR4

C.地址映射策略的效果

在本小節(jié)中，我們研究了不同內存地址映射策略對可實現(xiàn)吞吐量的影響。特別地，在不同的映射策略下，我們使用步幅S和訪問大小B來測量內存吞吐量，同時將工作集大小W（= 0x10000000）保持足夠大。圖6說明了HBM和DDR4的不同地址映射策略的吞吐量趨勢。我們有五個觀察到的現(xiàn)象。? 首先，不同的地址映射策略會導致明顯的性能差異。例如，圖6a說明，當S為1024而B為32時，HBM的默認策略（RGBCG）幾乎比策略（BRC）快10倍，這說明為內存應用程序選擇正確的地址映射策略的重要性。? 其次，即使HBM和DDR4采用相同的地址映射策略，其吞吐量趨勢也大不相同，這證明了豎亥等基準平臺對評估不同的FPGA板或不同的存儲器的重要性。? 第三，對于HBM和DDR4上的S和B的任何組合，默認策略始終會帶來最佳性能，這表明默認設置是合理的。 第四，較小的訪問大小導致較低的存儲器吞吐量，如圖6a，6e所示，這意味著FPGA程序員應增加空間局部性，以從HBM和DDR4獲得更高的存儲器吞吐量。? 第五，大的S（> 8K）總是導致內存帶寬利用率極低，這表明保持空間局部性極為重要。換句話說，不保留空間局部性的隨機內存訪問將遇到低內存吞吐量。? 我們得出結論，選擇正確的地址映射策略對于優(yōu)化FPGA上的存儲器吞吐量至關重要。

D．儲存組的影響 在本小節(jié)中，我們研究了存儲組的影響，與DDR3相比，存儲組是DDR4的新功能。同時訪問多個存儲組有助于我們減輕DRAM時序限制的負面影響，而這種限制在幾代DRAM上并未得到改善。通過訪問多個存儲組可能會獲得更高的內存吞吐量。因此，我們使用引擎模塊來驗證儲存組的效果（圖6）。我們有兩個觀察到的結果。

圖6.在所有地址映射策略下，具有不同訪問大小和跨度的HBM通道和DDR4通道之間的內存吞吐量比較。在本實驗中，我們使用AXI通道0訪問其關聯(lián)的HBM通道0，以從單個HBM通道獲得最佳性能。我們使用DDR4通道0獲得DDR4吞吐量數(shù)字。我們觀察到，不同的地址映射策略會導致性能最高提高一個數(shù)量級，并且就吞吐量趨勢而言，HBM的性能特征與DDR4的性能特征不同。

首先，如圖6a，6b，6c，6d所示，使用默認地址映射策略，HBM允許使用較大步幅，同時仍保持高吞吐量。根本原因是，即使由于大的S而沒有充分利用每個行緩沖區(qū)，存儲組級并行性也能夠使我們飽和利用內存帶寬。? 其次，在某些映射策略下，純順序讀取并不總是導致最高吞吐量。圖6b，6c說明，當S從128增加到2048時，較大的S在策略“ RBC”下可以實現(xiàn)較高的內存吞吐量，因為較大的S允許同時訪問更多激活的存儲組，而較小的S可能導致僅一個活動的儲存組響應用戶的存儲請求。 我們得出結論，在HBM和DDR4下利用儲存組級并行性來實現(xiàn)高內存吞吐量至關重要。

圖7.空間局部性的影響，局部性能緩解大的步幅S的影響 ?

E.內存訪問局部性的影響

在本小節(jié)中，我們研究了內存訪問局部性對內存吞吐量的影響。我們更改訪問大小B和步幅S，并將工作集大小W設置為兩個值：256M和8K。W = 256M的情況是指無法從任何內存訪問局部性受益，而W = 8K的情況是指受益的情況。圖7說明了HBM和DDR4上不同參數(shù)設置的吞吐量。我們有兩個觀察結果。?

首先，內存訪問局部確實提高了大的S的情況下的內存吞吐量。例如，在HBM上，（B = 32，W = 8K和S = 4K）情況下速度為6.7 GB / s，而（B = 32，W= 256M和S = 4K）僅為2.4 GB / s，這表明內存訪問位置能夠消除較大步幅S的負面影響。其次，當S較小時，內存訪問局部性不能增加內存吞吐量。相比之下，由于片上緩存的帶寬比片外存儲器要高得多，因此內存訪問局部性可以顯著提高現(xiàn)代CPU / GPU的總吞吐量[19]。?

F.總內存吞吐量 在本小節(jié)中，我們探討了HBM和DDR4的總可實現(xiàn)內存吞吐量（表V）。當我們使用所有32條AXI通道進行測試時，經過測試的FPGA卡U280上的HBM系統(tǒng)能夠提供高達425GB / s（13.27 GB / s * 32）的內存吞吐量。? 當我們同時訪問經過測試的FPGA卡上的兩個DDR4通道時，內存能夠提供高達36 GB / s（18 GB / s * 2）的內存吞吐量。我們觀察到，HBM系統(tǒng)的內存吞吐量是DDR4內存的10倍，這表明增強了HBM的FPGA使我們能夠加速內存密集型應用程序，而這通常是在GPU上進行加速的。? 表格5.HBM和DDR4訪問速度對比，HBM要快一個數(shù)量級

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在HBM控制器中對switch進行基準測試

每個HBM堆棧將內存地址空間劃分為16個獨立的偽通道，每個偽通道均與映射到特定地址范圍[41]，[44]的AXI端口相關。因此，需要使用32×32開關來確保每個AXI端口都可以訪問整個地址。在HBM存儲器控制器中完全實現(xiàn)的32×32開關需要大量邏輯資源。因此，該switch僅被部分實現(xiàn)，從而顯著減少了資源消耗，但實現(xiàn)了特定訪問模式的較低性能。我們在本節(jié)中的目標是揭示switch的性能特征。 A.AXI通道和HBM通道之間的性能 在本小節(jié)中，我們將在時延和吞吐量方面測試任何一個AXI通道和任何HBM通道之間的性能特征。在完全實現(xiàn)的switch中，從任何AXI通道訪問任何HBM通道的性能特征都應該大致相同。但是，在當前的實現(xiàn)中，相對距離可能起著重要的作用。 1）內存延遲：由于篇幅所限，我們僅使用所有AXI通道（從0到31）到HBM通道0發(fā)出的內存讀取事務來演示內存訪問延遲。對其他HBM通道的訪問具有相似的性能特征。與V-B小節(jié)中的實驗設置相似，我們還使用引擎模塊來確定B = 32，W = 0x1000000，N = 2000以及S變化的情況下的準確等待時間。表VI說明了32個AXI通道之間的等待時間差異。我們有兩個觀察結果。 首先，延遲差異最多可以達到22個周期。例如，對于頁面命中事務，來自AXI通道31的訪問需要77個周期，而來自AXI通道0的訪問僅需要55個周期。其次，來自同一微型switch中任何AXI通道的訪問等待時間是相同的，這表明該微型switch已完全實現(xiàn)。例如，與AXI通道4-7關聯(lián)的微型switch對所有通道都顯示相同的內存訪問延遲。我們得出結論，AXI通道應訪問其關聯(lián)的HBM通道或靠近它的HBM通道，以最大程度地減少延遲。

表格6.從32個AXI通道訪問HBM通道0的延時，距離越遠延時越高，可以達到22個周期

2）內存吞吐量：我們使用引擎模塊來測量從任何AXI通道（從0到31）到HBM通道0的內存吞吐量，設置為B =64，W = 0x1000000，N = 200000，并且改變S。圖8說明了從每個小型switch中的AXI通道到HBM通道0的內存吞吐量。我們觀察到AXI通道能夠實現(xiàn)大致相同的內存吞吐量，而不管它們的位置如何。

圖8，從八個AXI通道到HBM通道1的內存吞吐量，其中每個AXI通道都來自小switch。每個AXI通道在訪問HBM通道1時具有大致相同的吞吐量，即使它們的訪問延遲可能明顯不同 ?

B.AXI通道之間的干擾

在本小節(jié)中，我們通過使用不同數(shù)量（例如2、4和6）的AXI通道同時訪問同一HBM通道1，來檢查AXI通道之間的干擾影響。我們還改變了B的大小。表VII顯示了具有不同的B值和不同的AXI通道的吞吐量。空值表示該AXI通道未參與吞吐量測試。我們有兩個觀察結果。首先，當遠程AXI通道數(shù)量增加時，總吞吐量會略有下降，這表明交換機能夠以合理有效的方式為多個AXI通道提供內存事務。其次，以循環(huán)方式安排微型switch中的兩個橫向連接和四個主機。以AXI通道4、5、8和9同時訪問且B = 32的情況為例，遠程AXI通道8和9的總吞吐量大致等于AXI通道4或5的總吞吐量。 ? ? ?

相關工作

就我們所知，豎亥是第一個全面地在FPGA上對HBM進行基準測試的平臺。我們將與豎亥密切相關的工作進行對比：1）在FPGA上對傳統(tǒng)存儲器進行基準測試；2）使用HBM進行數(shù)據(jù)處理；3）加速FPGA的應用。

表格7.遠程AXI通道之間的沖突影響。我們使用不同數(shù)量（2、4或6）的遠程AXI通道來訪問HBM通道1，以測量吞吐量（GB / s）。當遠程AXI通道的數(shù)量為2時，AXI通道4和5處于活動狀態(tài) 。當僅使用本地AXI通道1訪問HBM通道1時，對于B = 32，B = 64或B =128的情況，吞吐量為6.67、12.9或13.3 GB / s。空值表示相應的AXI通道 不參與特定的基準測試。

在FPGA上對傳統(tǒng)內存進行基準測試。先前的工作[20]，[22]，[23]，[47]試圖通過使用高級語言（例如OpenCL）在FPGA上對傳統(tǒng)存儲器（例如DDR3）進行基準測試。相反，我們在最先進的FPGA上對HBM進行基準測試。

使用HBM/ HMC進行數(shù)據(jù)處理。先前的工作[4]，[6]，[15]，[16]，[21]，[26]，[27]，[46]使用HBM來加速其應用，例如哈希表深度學習和流式傳輸通過利用Intel KnightsLanding（KNL）的HBM [12]提供的高內存帶寬。相比之下，我們在Xilinx FPGA板上測試了HBM的性能。? 使用FPGA加速應用程序。先前的作品[1]，[3]，[5]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[14]，[17]，[24]，[25]， [28]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]，[34]，[35]，[36]，[37]，[38]，[39]，[40] ] [45]使用FPGA加速了廣泛的應用，例如數(shù)據(jù)庫和深度學習推理。相反，無論應用如何，我們都在最新的FPGA上系統(tǒng)地對HBM進行基準測試。 ? ?

結論

高帶寬存儲器（HBM）增強了FPGA，以解決IO密集應用程序的存儲器帶寬瓶頸。但是，HBM的性能特征仍未在FPGA上進行定量和系統(tǒng)的分析。我們通過在具有兩層HBM2子系統(tǒng)的最新FPGA上對HBM堆棧進行基準測試來揭秘。相應的，我們建議使用豎亥來對HBM的基本細節(jié)進行測試。從獲得的基準測試數(shù)據(jù)中，我們觀察到：1）HBM提供高達425 GB / s的內存帶寬，大約是最新GPU的內存帶寬的一半，2）如何使用HBM對性能有著顯著影響，這反過來證明了揭露HBM特征的重要性。豎亥可以很容易地推廣到其他FPGA板或其他的存儲器模塊。我們將使相關的基準測試代碼開源，以便可以探索新的FPGA板并比較各個板的結果。 ?

編輯：黃飛

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