基于Arm架构的鲲鹏处理器技术分析

​  鲲鹏处理器基于Arm架构。Arm是一种CPU架构，有别于Intel、AMD CPU采用的CISC复杂指令集，Arm CPU采用RISC精简指令集（精简指令集计算机）。更多内容参考“1、‍华为鲲鹏处理器介绍 SOC芯片研究框架（2022） 开放架构HPC技术与生态白皮书 信创产业链全梳理（2022）

1、鲲鹏处理器的组织

Chip:芯片(Chip)是指有大规模集成电路的硅片，我们见过的CPU这种是最常见的芯片。一般几块硅片可以封装在一起组成一个芯片。

DIE:芯片的最小物理单元。Kunpeng 920封装了3个DIE，两个用来做计算，第三个用来做IO。  

晶粒(die)是以半导体材料制作而成未经封装的一小块集成电路本体，该集成电路的既定功能就是在这一小片半导体上实现。通常情况下，集成电路是以大批方式，经光刻等多项步骤，制作在大片的半导体晶圆，然后再分割成方型小片，这一小片就称为晶粒，每个晶粒就是一个集成电路的复制品。  

Core:真正的计算单元，我们在操作系统侧看到的“核”。

Cluster:若干个核(core)的集合。Kunpeng 920把4个core集合成为一个cluster,而一个DIE上有8个cluster。

SoC: System on chip，例如，Kunpeng 920除了CPu外，还集成了RoCE 网卡、SAS控制器和南桥。 SoC可以理解为一个芯片集成了一个系统，可以完成特定的一系列的工作，例如，CPU是大脑，SoC是不仅有大脑，还有手、脚、身体等等，这些手脚就相当于，GPU,网卡处理器，声卡处理器等。  

2、Kunpeng 920芯片的架构

1片SoC上包含3个DIE，2个计算DIE，1个IO DIE。 1个计算DIE中8个Cluster。 1个Cluster中4个Core。 因此一个kunpeng 920芯片中包含4*8*2=64个核。 计算DIE上的每一个core具有自己的L1和L2级Cache，所有的core共享L3级Cache。 IO DIE上集成有网络模块、PCle模块。 这些DIE在芯片内部通过高速内部总线进行连接。

3、芯片架构的系统安全&IMU

      系统安全：支持安全启动，以及保证系统在可信环境内运行的一套软硬件方案。该方案由Secure Boot技术和ARM架构中的Trust Zone技术结合而成。       IMU ( lntelligent Management Unit )是Hi162x芯片内部的智能管理单元，完善ARM节点在数据中心的管理和控制，未来数据中心设备管理要求统一、智能和协同，遵循管理系统集中决策+节点执行监控,按照设备节点模型统一管理。       IMU作为数据中心的管理末端，协同BMC，完成数据中心的节点执行监控。       IMU可以覆盖的功能:RA5故障预处理以及错误记录上报、安全信任根、能效管理、芯片内部管理。

4、Kunpeng 920的其他子系统

鲲鹏处理器包含计算、存储、设备IO、中断以及虚拟化等子系统。 鲲鹏920含有两个CPU DIE、一个IO DIE、以及共8组DDR4channel，它们通过AMBA(Advanced MicrocontrollerBus Architecture)总线互联。

5、Kunpeng 920的IO子系统

鲲鹏处理器和IO子系统通过IO DIE进行扩展，支持soC片上加速器，如100G网卡、SAS控制器等。鲲鹏处理器同时支持基于PCle 4.0的设备扩展，可支持网卡、GPu等板卡。       为了方便软件编程，内部SoC上的高速设备也基于PCle，且可以通过PCle的配置空间进行配置。       各子系统 PCIE(含CCIX )，Hydra(多片互联），Network，Storage，HAC，ME,各自遵循行业标准，兼容软件接口规范，满足开源及演进要求。

6、Kunpeng 920的中断子系统

1.在兼容ARM GIC规范的基础上,实现了线中断、消息中断支持。 （1）GlC ( Generic Interrupt Controller）指Arm定义的通用中断控制器。也是当前的芯片系统基于GIC规范提出的一种全局中断管理架构，它主要包括如下功能:

使能、禁用、选择所有的SGI、PPI、SPI以及LPI。

支持将输入的中断路由到任一指定的CPU内核。

支持中断优先级配置。

支持Arm AArch64安全化扩展。

持Arm AArch64虚拟化扩展。    

（2）gicv3中，引入了消息中断，并且为之支持了LPI。分配了大量的中断号，用于LPIo对于LPI的实现，有2种方式，一种是访问redistributor提供的寄存器，一种是使用ITS。 （3）ITS( Hyper Interrupt Translation Service)功能是提供LPI中断重定向服务，将LPI中断路由到不同的CPU内核，其中中断和CPU内核的路由关系支持动态配置。 （4）LPI(Locality-specific Peripheral Interrupt):基于message的中断。 2.鲲鹏处理器引入中断收集再分发的概念。 3.鲲鹏920上还实现了华为公司的MBIGEN(message based interrupt generator)技术。

7、Kunpeng 920的网络子系统

1、网络子系统包括Network ICL和RoCE引擎两大部分。 2、Network lCL包括多个1Gbps~100Gbps以太网控制器，二层DCB、MAC地址表，多播表，VLAN过滤表，流表，中断，PCle化，具有完整的NIC引擎，可以在RoCE引擎关闭的情况下单独工作。 3、RoCE(RDMA over Converge Ethernet)是一种在以太网上采用RDMA(RemoteDirect Memory Access，远程直接内存访问)的网络互联技术。 4、华为鲲鹏920处理器使用的RoCE v2协议是由InfiniBand(IB)协议演进而来，既具有lnfiniBand网络的低时延、低CPU利用率等特点，又能够很好地兼容于Ethernet网络。

8、Kunpeng 920的SAS子系统

1、提供2个X8 SAS 3.0控制器 （1）SAS(Serial Attached SCSI)即串行SCSI技术，一种磁盘连接技术。SAS控制器用于磁盘与内存之间进行交互。 （2）SAS控制器主要通过总线与CPU和内存进行交互，同时通过SERDES与硬盘进行连接。 （3）SAS控制器与设备连接方式有两种:直连和Expander连接。

直连表示SAS控制器的PHY与设备直接连接，不经过中间转换或扩展;.

Expander连接表示SAS控制器与设备之间通过扩展器进行连接

2、支持SAS 3.0，向下兼容SAS2.0和SAS1.0;支持SATA3.0，向下兼容SATA2.0和SATA1.0;SAS支持12G/6G/3G/1.5G四种速率，SATA支持6G/3G/1.5G速率，同时可以实现速率的自协商。 3、可以直接不经过Expander最大连接8个SAS盘或者SATA盘，两者可以混插;       SAS盘分为SAS机械盘和SAS SSD盘，SAS盘是为满足高性能、高可靠性而设计，在内部驱动电机的可靠性、转速以及基板方面都与SATA盘有差异。 4、可以连接SAS Expander扩展更多磁盘。提供1个X2 SATA控制器; 5、支持SATA 3.0，向下兼容SATA 2.5;支持AHCI1.3，向下兼容AHCI 1.2;支持6G/3G/1.5G速率自协商; 6、支持直连两个SATA盘。 7、支持NOR Flash控制器，4个片选，NOR FLASH最大支持512K。 8、支持SPI Flash控制器，2个片选,SPI Flash最大支持32M。 9、支持NAND FLASH接口，4个片选。

9、Kunpeng 920的PCle子系统

1、支持PCle GEN1/2/3/4.0

Run at the 2.5G/5G/8G/16G。

x16 PCle控制器

嵌入式DMA引擎

PCle是一种高性能、通用的I/O互连接口，适用于各种计算和通信平台。鲲鹏920PCle子系统提供了实现PCle根联合体(Root Complex，RC)或端点(Endpoint，EP)应用程序的解决方案。 2、最多支持40个PCle Lane

3 PCle控制器

提供了实现PCIe根联合体或端点应用程序的解决方案

鲲鹏920 PCle子系统包含3个PCle Core，最多支持40个PCle Lane。每个PCle Core包括多个PCle端口。PCle Core0共享16个Lane。PCle Core1共享16个Lane。PCle Core2共享8个Lane。3个PCle Core均可作为根端口(Root Port，RP)使用。只有PCle Core1能作为EP端口。 3、硬件特性：SRIS(Separate Refclk Independent ssc)支持SR-IOv 4、支持共享虚拟内存 5、支持CCIX 6、支持P2P(Peer to Peer)。不同控制器之间的对等流量  

编辑：黄飞