带有Xilinx VU13P FPGA的XUP-VV8 PCIe卡
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文章
比较 FPGA 加速卡的 DDR4 和 DDR5 内存带宽
摘要：DDR5 模块在与 DDR4 相同的空间内提供更高带宽
然而，GDDR6、HBM 和 HBM2e 提供了数量级的更高带宽
2021 年推出、 DDR5 SDRAM 带来了许多性能 增强功能，并将在 FPGA 卡上提供、 但它的速度到底有多快？与 HBM2e 和 GDDR6 等其他内存类型相比，它的性能如何？
双倍速度？
比较 DDR5 和 DDR4 的简单方法是说它的带宽是 DDR4 的两倍。然而，这种笼统的说法并不能反映现实世界中的各种因素，包括模块速度和系统中的模块数量（例如，四个 DDR4 模块的性能可能与两个 DDR5 DIMM 相似）。为了更好地比较这些 DRAM 技术，我们将首先了解 DDR5 在理论最大水平上实现带宽性能的基本因素。然后，我们将在几款 BittWare FPGA 加速卡上看到这些因素如何转化为系统级性能。我们还将与 GRRD6 和 HBM 等高端内存类型进行比较 ，看看它们是否仍比标准 DDR 内存具有明显优势。
计算速度
我们先来看看 DIMM 一级的带宽是如何计算的。在五代 DDR 中，模块性能通常以 MT/s（每秒百万次传输）或 GB/s（每秒千兆字节）表示。时钟速率是数据传输速率的一半，这就是 DDR 缩写中 "双倍数据速率 "的由来。这一比率在 DDR5 中没有变化。
什么 变化 改变的是传输速度（MT/s 或 GB/s）的显著提高。如今，DDR4 的ECC 模块速度已达到3200MT/s（1.6GHz 时钟频率）；模块通常标明具体的模块速度，因此这就是 DDR4-3200。但对于 DDR5，已经有适合 FPGA 附加 SDRAM 的 DDR5-5600 选项 ，即 5,600 MT/s (2.8 GHz）。
随着时间的推移，这一速度优势将进一步扩大，DDR5 规格支持高达 8,400 MT/s (4.2 GHz）！但今天，我们比较的是针对 FPGA 卡的 DDR5-5600 模块。
双通道与单通道
我们注意到 DDR 中的 "D "表示时钟频率是数据速率的一半，这一点在DDR5 中没有改变。由于 DDR5 DIMM 现在是双通道，因此每个模块的通道数有明显变化 。这些通道的总线宽度较小，通常会抵消你所期望的原始带宽优势。具体来说，DDR5 每个模块有两个 40 位通道，其中 8 位用于 ECC。因此，就模块而言，总位数为 80 位，而 DDR4 的单通道位数为 72 位（包括用于 ECC 的 8 位）。
请看下图，了解模块层面的布局：
因此，如果用户将这些 ECC 位转化为 "常规 "数据位，那么 80 位与 72 位相比，DDR5 确实略胜一筹。如果不将 ECC 用于常规数据，那么两者的性能基本相同：单通道 64 位或双通道 64 位。
在下面的比较中，我们假设通道使用的位数较大，因此 DDR5 略胜一筹（模块级为 80 位，而 DDR5 为 72 位）。 我们应该注意到，在 DDR5 方面有两个通道的另一个优势是可以更有效地访问内存，这有利于延迟。 内存的访问效率更高，从而有利于延迟。
DDR5 的其他优势
虽然本文不涉及这些方面，但 DDR5 除带宽外还有其他优势。 在电源方面，DDR5 DIMM 模块上有一个电源管理集成电路，而不需要在板卡上实施电源管理。此外，DDR5 所需的电压比 DDR4 低（1.1V 对 1.2V），这有助于提高运行速度所需的功率。
案例研究 - 大型表格查询
一些重要的网络应用需要对通过 FPGA 的每个数据包进行表查询和更新。对于小表，程序员可以使用 FPGA 内部的低延迟静态存储器。但是，当表的大小超出 FPGA 的容量时，程序员就需要利用 FPGA 的外部存储器。这对性能提出了巨大挑战。这也为 BittWare 这样的板卡供应商提供了在市场上脱颖而出的机会。例如，BittWare 在许多基于 AMD FPGA 的产品中都独特地支持 QDR-II+ 静态外部存储器。这一特性为我们赢得了几项关键设计，客户希望以约 10 GbE 的数据包速率处理数据包。
然而，随着数据包速率的提高，访问速率和表的大小也会随之增加。当今 100 GbE 以上速率的解决方案是提供多通道的动态存储器。我们需要比 DDR4 和 DDR5 之间通道数翻番更多的通道。这就是为什么我们的许多最新 FPGA 卡都提供 GDDR6 或 HBM2e 内存。
所有动态内存技术（DDR4/5、GDDR 和 HBM）的核心访问延迟大致相同。增加通道数可减少排队延迟带来的延迟。大量的通道还允许精心设计表查找和更新算法，以编排并行内存访问。这可以利用深度流水线在高访问率下创建确定性的表查询延迟。
FPGA 加速卡比较
现在，让我们从模块层面转到真正重要的地方：系统层面（或带内存的加速器的板卡层面）。考虑内存组数（DIMM 插槽或独立焊接内存组）和支持的速度等因素同样重要，它们会对性能产生重大影响。
在比较中，我们选择了三块 FPGA 板，共有四种配置（其中一块板有两种配置，用于比较 DDR4-2400 和 DDR4-3200）。获得带宽相对简单，但我们认为，即使是理论上的最大值，显示系统带宽也能很好地说明什么是最适合您应用的选择。
对照表
| 卡片 | 内存类型 | 通道总数 + 宽度 | 总内存 | 模块速度 | 钟表 | 总带宽1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 520N-MX | 2x DIMM DDR4-2400 | 2x/72 位 | 32 GB（2x 16 GB） | 2,400 MT/s 2.4 GB/s | 1.2 千兆赫 | 19.2 GB/s |
| IA-840f | 2x DIMMS DDR4-2400 + 2x 独立 DDR4-2400 | 4x/72 位 | 128 GB（4x 32 GB） | 2,400 MT/s 2.4 GB/s | 1.2 千兆赫 | 38.4 GB/s |
| IA-840f | 2x DIMMS of DDR4-3200 + 2x 独立 DDR4-3200 | 4x/72 位 | 64GB（4x 16GB） | 3,200 MT/s 3.2 GB/s | 1.6 千兆赫 | 51.2 GB/s |
| FPGA 卡 | 2x DIMM DDR5-5600 | 4x/40 位 | 128 GB（2x 64 GB） | 5,600 MT/s 5.6 GB/s | 2.8 千兆赫 | 44.8 GB/s |
1总带宽的计算公式为(时钟速率） x （总线宽度） x （通道数）
对于带宽较低的 520N-MX，两个 DDR4-2400 模块可提供 19.2 GB/s 的总理论带宽。但跳到最后一行，仅有两个 DDR5 DIMM 的 FPGA 卡的带宽超过两倍：44.8 GB/s！这还是在支持 DDR5-5600 模块的显卡上。因此，在 DIMM 数量相同的情况下，DDR5 每个模块的性能确实是 DDR4 的两倍。
不过，请看图表中间的两条线（IA-840f 显卡），我们在这里显示了两种配置。一种是 DDR4-2400（就像 520N-MX），另一种是 DDR4-3200。两种配置都包括两个 DIMM 和两个焊接的独立组，其配置与 DIMM 类似，因此板级大致相当于四个 DIMM。
结果如何？虽然 2,400 MT/s 内存的速度仍低于 DDR4，但提升到 3,200 MT/s 后，实际带宽达到 51.2 Gb/s，略高于 DDR5。当然，这是以目前的 DDR5 速度计算的，最终会被更高带宽的模块所取代。此外，由于 DDR5 速度更快，每个模块支持的容量更大，因此可以节省物理空间（机械和热气流方面），这可能是采用较大 FPGA 的 PCIe 卡的一个设计因素。
高带宽内存：GDDR6 和 HBM
既然我们已经比较了 DDR4 和 DDR5，那么这些 SDRAM 类型与 GDDR6 和 HBM 等高端内存类型相比如何？DDR5 是否缩小了性能差距？
SDRAM 内存带宽比较
如您所见，虽然 DDR5 与 DDR4 相比具有显著优势（随着更快的速度出现，优势还在不断扩大），但与 GDDR6、HBM 和 HBM2e 相比，仍有数量级的差距。
超高速 HBM2e（HBM2 的升级版）与 FPGA 封装在一起。IA-860m 显卡的英特尔 Agilex 7 M 系列 FPGA 上有两个 16GB 内存堆栈（共 32GB），综合峰值带宽高达 820GBps。这相当于 18x比使用 DDR5 的 FPGA 显卡高出 18 倍！
虽然速度不如 HBM2e，但 GDDR6 和 HBM 的性能仍比 DDR5 高出 10x.GDDR6 每组支持两个独立的 16 位通道，因此拥有 8 组 GDDR6 的显卡（如 BittWare 的 S7t-VG6，采用 Achronix FPGA）带宽高达 448GB/s。由于采用了 AMD Virtex UltraScale+ VU-37P 器件，我们的 XUP-VVH 获得了 HBM 内存。
总结
最后，最有帮助的也许是注意到 BittWare FPGA 卡产品组合提供的各种选择。DDR5 是一种改进，将成为获得大容量、快速内存的绝佳新方法。但先不要排除 DDR4--它是一种更成熟的技术，可广泛使用，与 DDR5 相比仍能独当一面。对于真正的内存密集型应用，可以考虑 HBM2e 和 GDDR6 等超高速选择。
