DDR4与HBM在UltraScale+ HBM上的IOPS测试

最近一个科研 idea 需要 measure 一些内存器件的 latency 数据，因此用 FPGA 对主流的内存器件的访问 Latency 进行了一个调研，诚然这样的结果和 FPGA 上具体 Memory Controller 的 IP 实现有关，但也可以作为一个参考，相信 Xilinx 的实现。

实验基于浪潮 F37X FPGA 卡， FPGA 采用与 VCU128 相同的 vu37p ，属于 Xilinx Ultrascale+ HBM 系列，具体型号也与 VCU128 完全相同，这个卡其实设计和 U280 非常类似，但是比 U280 多了一个通道的 DDR4 也多了 8GB 存储容量，个人觉得还是一个比较不错的卡（但可惜不好买，我在闲鱼上买还遇到了奸商，买两张确认收货后发现有一张卡综合后的bit流如果有逻辑分布在指定 bank 就会有问题，结果卖家不懂 FPGA 也不认，巨大亏损）。

vu37p 本身有 2 个 4GB 的 HBM ， Xilinx 官方介绍其拥有 460GB/s 的 bandwidth ，我使用的这张 FPGA 卡也拥有 3 通道的 72bit DDR4 2400 8GB 内存（额外 8bit 用于 ECC ），一共 24GB 容量。

测试代码

为了做这个测试，我自己写了一个名为 axi_iops 的小项目，位于github.com:cyyself/axi_iops.git ，纯Verilog大概200行，用于对AXI随机读性能进行测试。该测试会使用LFSR随机生成一个地址，然后按照用户给定的arlen，arsize去发送请求。

在这个代码中，我们重点关注以下几个IO：

module axi_iops #(
    parameter LFSR_INIT = 0,
    parameter ADDR_LEN  = 32,
    parameter DATA_LEN  = 64,
    parameter ID_LEN    = 6,
    parameter LEN_SIZE  = 4 // 4 for AXI3, 8 for AXI4, Xilinx HBM IP only provides AXI3 interface
) (
    input                   clock,
    input                   reset,
    output [ID_LEN-1:0]     axi_awid,
    // 省略其他AXI信号
    output                  axi_rready,
    output [31:0]           iocount_period,
    input  [2:0]            debug_arsize,
    input  [LEN_SIZE-1:0]   debug_arlen,
    input                   debug_pause
);

当每次收到rvalid&rast时，计数器会+1，每当过了2**32次时钟上升沿后，计数器的值会出现在iocount_period上，然后将计数器自身清零，相关代码是这么写的：

reg [31:0] timestamp;
reg [31:0] io_count;
reg [31:0] io_count_out;

assign iocount_period = io_count_out;

always @(posedge clock) begin : counting
    if (reset) begin
        timestamp <= 0;
        io_count <= 0;
        io_count_out <= 0;
    end
    else begin
        timestamp <= timestamp + 1;
        if (timestamp == 0) begin
            io_count_out <= io_count;
            io_count <= 0;
        end
        if (axi_rvalid && axi_rlast) begin
            io_count <= timestamp == 0 ? 1 : (io_count + 1);
        end
    end
end

DDR4环境

DDR4这个大家会看这篇文章的应该都比较熟悉，我的开发板配置采用的是2400 CL16 72bit ECC，如图：

此时AXI时钟使用4:1分频，2400/2/4=300MHz。由于AXI此时数据位宽为512，因此我们得到AXI接口可用的总带宽=300*512/8/1000=19.2GB/s。

HBM环境

这是本人第一次玩HBM内存，首先先介绍一下Xilinx IP的配置：

首先我们可以设置我们要使用多少片HBM，我这里只选择一片一次HBM Density就是4GB，因为目标是测IO速率与Latency情况下，尽量排除干扰。当选择HBM Desnity为8GB，如果开启一个Enable Switch/Global Addressing选项就可以在每一个AXI接口访问整体的8G内存。（在这种情况下，从一个Stack的AXI Slave接口访问另一个Stack会增加延迟，无论AXI频率多少，我通过AXI JTAG+ILA验证了这个问题。）

然后，根据Xilinx手册 AXI High Bandwidth Memory Controller LogiCORE IP Product Guide (PG276) 可知，AXI接口的极限速率是450MHz（虽然我未曾跑出一个450MHz WNS为正的结果，即使我只接了几个AXI转换器再接上一个AXI JTAG），AXI接口的数据位宽为256bits，而对于宣称的460GB/s带宽，每个Stack提供了16个AXI接口，如果使用两片HBM达成8GB容量就有2个Stack，450MHz的AXI频率下，采用256 bits的数据位宽，最终总速率=450*256*16*2/8/1000=460.800GB/s。但由于我的能力所限，最终只能让AXI在300MHz下工作，所以理论性能直接比标称砍了1/3。

DDR4

单请求访问延迟

在这个测试中，我首先通过一个AXI JTAG发访存请求，然后通过System ILA观察arvalid到rvalid时间。

可以看到，512个cycle时的arvalid，后续在第533个cycle时得到第一个rvalid，延迟大约21个cycle，多次测试结果也是大概如此，由于300MHz下一个cycle为3.33ns，最终得到内存延迟为70ns。

1字节随机访问

这里我首先进行了完全随机的随机访问测试，即通过AXI接口发送arsize=0,arlen=0的请求，这样每次请求只有一个字节，观测一段时间内的IOPS数量，在这个测试中，我设置arid长度为10位，这样极端情况下可以有1024个请求交错。

由于我的模块接入300MHz时钟，计数器每个时钟上升沿加1，同时计数器共32位，因此每次输出计数器结果为2**32/(300*1000*1000)=14.317s的结果，我们最终计算得到IOPS为 0x432e9310/(2**32/(300*1000*1000))/1000/1000=78.72882597148418，大约79M IOPS。但显然，我们如果不通过arid每次给多个地址请求，无法达成这个数量。说明Xilinx MIG对于多地址请求同时发出具有良好的支持。

最大Burst访问

我们得到总吞吐量为0x2ecf8d5*64*512/8/(2**32/(300*1000*1000))/1000/1000/1000=14.04GB/s，达到了理论带宽的约3/4。

HBM

单请求访问延迟

在这个测试中，为了测试多Stack的场景，我对先前所述的配置进行了微调，具体而言，每个Stack只留下一个AXI Slave接口，连接通过protocol converter和dwidth converter连接AXI JTAG，并允许每个AXI Slave接口访问两个Stack一共8GB的地址空间，最终得到延迟如下：

访问Stack自身的HBM MC：

由558-512=46得46个cycle，换算延迟为46*(1000/300)=153.33ns，比DDR4 2400 CL16高了一倍还多。

访问另一个Stack的MC：

由576-512=64得64个cycle，换算延迟为64*(1000/300)=213.33ns，已经是DDR4 2400 CL16延迟的3倍了（Xilinx你说好只多6个Cycle的呢？）。且我尝试调整arlen大小延迟没有发生误差外的改变。

1字节随机访问

我们对这些数字求和，得到0x4875bb406，IOPS为 0x4875bb406/(2**32/(300*1000*1000))/1000/1000=1358.622909011319，达到了惊人的1358.62290 MIOPS。

最大Burst访问

我们对这些数字求和，得到0x46093fc6，IOPS为 0x46093fc6/(2**32/(300*1000*1000))/1000/1000=82.0736，达到了82.0736 MIOPS，吞吐量为0x46093fc6*256*16/8/1000/1000/1000/(2**32/(300*1000*1000))=42.02 GB/s，且AXI通道利用率只达到了27%，应该还有继续挖掘的空间。毕竟300MHz频率下，单个HBM Stack也应该能提供153.6GB/s的带宽。

后续也和朋友讨论了一下这个结果，一个不同在于，由于Xilinx HBM的IP只提供AXI3接口，最大burst length是16，导致一次最多只能取512B的数据，但是DDR上由于MIG可以使用AXI4，所以我直接拉满了AXI的最大读写长度，一次读写4KB，或许之后还可以测一测顺序读写能力。

结论

不要小瞧DDR4的随机访问能力，也不要过度追捧HBM。

扩展阅读

在杰哥的推荐下，发现了一篇FCCM文章 Shuhai: Benchmarking High Bandwidth Memory On FPGAS 有兴趣的读者可以继续阅读。