高性能FPGA计算加速卡

FPGA

产品编号：1501013

高性能FPGA计算加速卡

( B-PCIE-SFPP )

数据手册

( Data Sheet )

Version 1.0

清华大学设备仪器厂智能计算研发中心

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1 板卡概述1.1 板卡简介

B-PXIE-SFPP是一款基于PCI Express总线的高性能FPGA计算加速卡。作为基于服务器的PCI Express数据采集、处理、存储设备，该板卡可以实现2通道万兆光纤网络数据的高速采集、实时处理、实时记录和宽带回放，强大的FPGA处理性能，可以实现百万门级的硬件加速，方便用户进行复杂的逻辑处理与算法运算。

该板卡采用了Altera的Stratix IV GX系列FPGA处理器，并支持行业标准的外围设备、连接器以及丰富的接口，该系列的FPGA处理器，具有低抖动、兼容性、平衡性的高速串行收发器，能够在SATA、HSMC或万兆光口上以最高8.5Gbps的速率运行。

该板卡为标准PCI Express全高卡，适合于主流的服务器或工作站。该板卡能够提供超高速数据传输速率和强大的计算处理能力，可满足大型服务器和磁盘阵列之间的高速数据交换，在大数据中心及复杂的IT环境下，可支持更高的虚拟化密度和优化服务器使用率，特别适合于计算密集型应用、军用或民用高带宽数据传输、服务器大数据处理、高速信号处理算法等特殊应用场景，也可在图形图像采集分析、雷达信号处理、电信网络、通信基站等场景发挥其强大的功能。

板卡具有独特的动态电源管理技术，能够提供功耗和虚拟最优化的存储网络连接，简化数据中心的环境，方便客户使用。

1.2 功能框图

图1-1 板卡功能框图

1.3 硬件指标

q 标准PCI Express全高卡，符合PCIe规范；

q 板载1片Altera Stratix IV系列高性能FPGA处理器；

q 板载2组64位 4GB DDR2 SDRAM（SODIMM）内存；

q 板载1片256Mbits BPI Flash；

q 板载18Mb SSRAM静态缓存单元；

q 板载1KB EEPROM用于少量数据存储；

q 板载1片SD CARD；

q 具有8路SATA 3.0接口；

q 具有2个SMB高速串行扩展接口；

q 具有2个HSMC高速连接器，用于子卡的扩展；

q 具有4个按钮、4个拨码开关、4个LED灯、8位DIP开关；

q 具有2路千兆以太网口；

q 具有2个独立的七段数码显示管；

q 具有2路SFP光纤接口；

q 具有1个USB主/从控制器接口；

q 板载高精度有源晶振。

1.4 功能特性

q FPGA处理器性能：

Ø FPGA处理器型号：EP4SGX530NF45I3N；

Ø 逻辑资源：共有212480个ALMs，共有531K个LEs，共有424960个寄存器；

Ø 存储器资源：共有20736Kbit嵌入式存储器资源，共有6640Kbit MLAB存储器资源；

Ø 乘法器资源：共有1024个18x18bits乘法器资源；

Ø 时钟资源：共有88个Regional时钟网络，112个Periphery时钟网络，12个PLL；

Ø IO资源：共有1932个PIN；

Ø 高速串行收发器：共有48个高速串行收发器：其中32个支持8.5Gbps，16个支持6.5Gbps；

Ø PCIE核：共有4个PCIE硬核资源；

q 存储性能：

Ø 动态存储：支持2组SO-DIMM DDR2 SDRAM；

最高可工作在400MHz时钟频率，最大理论带宽可达102Gbps，高达8GByte吞吐能力；

Ø Flash存储器：支持256Mb BPI Flash，16位数据总线；

Ø 静态存储性能：支持18Mb ZBT SSRAM；

Ø IIC EEPROM：支持1KByte EEPROM;

Ø SD卡：支持SPI以及SD 1-bit两种SD Card读取模式；

q 时钟性能：

Ø 3个可编程PLL；

Ø HSMA与HSMB均具有收发器时钟源；

Ø SATA接口150MHz时钟源；

Ø 1路FPGA LVDS时钟源；

Ø 1路50MHz时钟源；

Ø 1路100MHz LVDS时钟源；

q 接口性能：

Ø 千兆以太网口：支持2路千兆以太网口，采用外部PHY模式，FPGA内嵌EMAC；

Ø 光纤接口：支持2路SFP+光纤接口，最高支持8.5Gbps线速率；

Ø HSMC接口：支持2组HSMC扩展接口，每组分别具有x8 8.5Gbps的高速串行接口，和x82个普通IO接口；

Ø SATA接口：支持8路SATA3.0接口，支持6.0Gbps线速率，可以做为主设备或从设备；

Ø USB接口：支持1个USB主/从控制器；

完全符合通用串行总线规范2.0修订版标准；

支持高速数据传输、全速与低速数据传输；

支持USB主设备或者从设备；

支持3种USB接口；

支持PIO和DMA方式；

Ø 多媒体接口：支持1个HDMI显示输出接口；

最高支持1920x1080分辨率；

支持热插拔；

Ø PCIe主机接口：支持x8 PCIe gen2，线速率达到5Gbps；

Ø SMA接口：

2个SMA连接器用于收发器的外部时钟输入；

4个SMA用于LVDS的时钟输入；

2个SMA用于时钟输出；

1个SMA用于外部时钟输入；

2个SMB用于高速串行收发器的扩展；

1.5 接口特征

q 标准x8 PCIe机械接口，支持x8与x16槽位。

q 前面板具有2路千兆以太网口。

q 前面板具有2路SFP LC光纤接口。

1.6 软件支持

q FPGA的软件支持包含：

Ø 完整的DDR2控制程序；

Ø FPGA的PCIe链路控制程序；

Ø FPGA的光纤接口程序；

Ø FPGA的千兆以太网口测试程序；

Ø FPGA的SATA3.0主控测试程序；

Ø FPGA的高速HSMC互联测试程序；

Ø USB接口程序；

Ø SD CARD读写测试程序；

Ø BPI Flash读写测试程序；

Ø EEPROM读写测试程序；

Ø SRAM读写测试程序；

q 演示DEMO程序：

Ø PCIE链路演示DEMO；

Ø HSMC子卡互联DEMO；

Ø SATA存储DEMO；

1.7 应用场景

q 服务器硬件加速；

q 高速光纤通道采集；

q 图形图像处理；

q 算法验证平台。

1.8 物理与电气特征

物理与电气特征
板卡尺寸	106.65 x 167.55 mm
板卡供电	2A max@12VDC(±5%)
散热方式	风冷散热

1.9 环境参数

工作环境
工作温度	-40°~+85°C（工业级）
存储温度	-55°~+125°
工作湿度	5%~95%，非凝结

1.10 可靠性指标

可靠性指标
使用寿命	＞10年
MTTR	<20分钟
MTBF	10,000,000小时
质量标准

1.11 与DE4对比

对比项目	DE4高阶开发平台	B-PCIE-SFPP计算卡	备注
FPGA型号	型号：EP4SGX530KH40C2N	型号：EP4SGX530NF45I3N
高速串行收发器	32个（8.5Gbps）	48个（8.5Gbps/6.5Gbps）
PIN数量	1517个	1932个
温度范围	商业级	工业级
接口类型	4个千兆以太网口	2个千兆网口+2个万兆光口
多媒体接口	无	1个HDMI显示输出接口
EEPROM容量	1Kbit	1KByte
SATA接口	4路	8路
高速扩展接口	2组HSMC （共12个GT扩展）	2组HSMC+2组SMB接口（共18个GT扩展）	GT为高速串行收发器