华为鲲鹏处理器架构详解：从基本概念到子系统解析

华为鲲鹏处理器架构详解：从基本概念到子系统解析

在当今这个信息爆炸的时代，计算技术已成为推动社会进步的核心动力。华为，作为中国的科技巨头，早已不仅仅满足于在通信领域的领先地位，更将目光投向了广阔的计算市场。其中，鲲鹏（Kunpeng）处理器便是华为在计算领域的杰出代表。

鲲鹏处理器概述

鲲鹏处理器是华为面向通用计算领域的处理器芯片，主要针对服务器市场。它基于ARM架构进行优化设计，提供了出色的计算性能，并在功耗控制方面达到了业界领先水平，非常适合数据中心、云服务以及企业级应用等场景。

除了处理器本身，华为还推出了基于鲲鹏处理器的泰山服务器和华为云服务，提供一站式的解决方案，帮助客户更高效地处理各种计算任务。

鲲鹏处理器架构详解

基本概念

• 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。
• 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。

Kunpeng 920芯片架构

• 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482=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。

系统安全与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。

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。
• 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。

Kunpeng 920的中断子系统

• 在兼容ARM GIC规范的基础上,实现了线中断、消息中断支持。
• GIC ( 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。
• 支持Arm AArch64虚拟化扩展。
• 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。
• 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。
• LPI(Locality-specific Peripheral Interrupt):基于message的中断。
• 鲲鹏处理器引入中断收集再分发的概念。
• 鲲鹏920上还实现了华为公司的MBIGEN(messagebased interruptgenerator)技术。

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 ICL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。

Kunpeng 920的SAS子系统

1. 提供2个X8 SAS 3.0控制器

• 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。
• 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。
• 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;
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。

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
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