アルテラ SoC アーキテクチャ・ブリーフ

アーキテクチャ・ブリーフ
SoC FPGA メイン・メモリの性能
はじめに
メモリ仕様を簡単に確認しただけでは、SoC FPGA ベースのシステムでメモリが果たす役割のすべてを知
ることはできません。効率を最大化して性能、動作、および消費電力の利点を享受するには、バス仕様だ
けでなく測定したメモリ性能をチェックすることが重要です。
このアーキテクチャ・ブリーフでは、デザイン・プロジェクト用に SoC FPGA を選択する際に検討すべき
メモリ性能について紹介します。
このアーキテクチャ・ブリーフの内容は、www.altera.co.jp/socarchitecture でご覧いただけるオンライン・
ビデオ、「システム性能 : メモリ・コントローラの性能」で重点的に解説しています。
トップ・レベルの仕様
SoC FPGA を選択する場合、メモリ・バスのスピードによって実際のシステム・メモリの性能が決まると
考えるのが一般的です ( 表 1 を参照 )。
表 1. 外部メモリ・コントローラ・サポートの比較
機能
アルテラ SoC FPGA
ベンダー B
ベンダー C
プロセッサ・システム用ハード外部
メモリ・コントローラ
あり
あり
あり
サポートする最大アドレス空間
4G
1G
4G
LPDDR2、DDR2、
DDR3L、DDR3
LPDDR2、DDR2、
DDR3L、DDR3
LPDDR、DDR2、
DDR3
サポートするメモリ・タイプ
x8
x8+ECC
x16
x16+ECC
x32
x32+ECC
x8
x16
x16+ECC
x32
x32+ECC
x16
x16+ECC
x32
統合 ECC サポート
16 ビット、32 ビット
16 ビット
8 ビット、16 ビット、
32 ビット
外部メモリ・バス最大周波数
400 MHz
(CycloneⓇ V SoC)、
533 MHz (ArriaⓇ V SoC)
533 MHz
333 MHz
データ幅コンフィギュレーション・
モード
メモリ・コントローラの進化
しかし、メモリ・データ転送の優先順位付け、スケジューリング、および処理をいかにスマートに行うか、という別の要因も全体的な
メモリ性能に大きく影響する可能性があります。アルテラ SoC FPGA は、スケジューリング、バンク管理、コマンドとデータのリオー
ダリングといった領域の先進機能を含むアルテラの第 3 世代のメモリ・コントローラ・テクノロジを利用しています。
図 1. アルテラ・メモリ・コントローラの進化
メモリ・コントローラの機能
アルテラ SoC
不足加重ラウンド・ロビン・スケジューリング
バンク管理 (およびヒント)
ユーザーが提供したプロファイル
トラスト・ゾーン・セキュリティ
ラウンド・ロビン・スケジューラ
コマンドとデータのリオーダリング
優先度管理
パワー・マネージメント
シンプル・スケジューラ
バンク管理
アクティブ・リフレッシュ
GEN 3
GEN 2
GEN 1
メモリ性能のケース・スタディ：LMbench
メモリ・コントローラのインテリジェンスがシステム・メモリの性能に及ぼす影響を説明するために、メモリ・バス速度が異なる 2 つ
の SoC FPGA デバイスを考えてみましょう ( 図 2 を参照 )。左側のデバイスはアルテラ CycloneⓇ V SoC FPGA、右側のものは「ベンダー B」
の SoC FPGA です。どちらも同じ 667 MHz の周波数で動作するデュアルコア ARMⓇ CortexⓇ -A9 プロセッサを搭載していますが、一方
のデバイスは 400 MHz で動作する外部メモリを持ち、もう一方は 533 MHz で動作する外部メモリを使用しています。システム・メモ
リの性能が優れているのはどちらのデバイスでしょうか。一見したところ、533 MHz のメモリを使用するシステムの方が 33 % 高い性
能を示すと思われるかもしれません。しかし、メモリ・コントローラ・アーキテクチャの要因により、実際にはかなり異なる結果にな
ります。
図 2. SoC FPGA のメモリ性能比較
アルテラ SoC FPGA
ハード・メモリ・
CPU
667 MHz コントローラ
A
FPGA ロジック
ベンダーBのSoC FPGA
DDR
メモリ
400 MHz
ハード・メモリ・
CPU
667 MHz コントローラ
B
FPGA ロジック
DDR
メモリ
533 MHz
システム性能のベンチマークでは、メモリ・システムの性能を用いることでよく知られた業界標準のベンチマークである LMbench
(www.bitmover.com/lmbench) が結果を定量化して比較するのに役立ちます。LMbench ( バージョン 3) は、いくつかの異なる読み出
し／書き込みテスト・ケースからなります。部分読み出し／書き込みのケースは代表的なエンベデッド・システムでの転送をよく表す
ため、図 3 に部分読み出し／書き込みのケースの結果を示します。
図 3. LMbench の部分読み出し／書き込みメモリ帯域幅テストは、高度なコントローラの利点を実証
5,000
高いほど優秀
ベンダー B
4,000
メモリ帯域幅 (MB／秒)
アルテラ SoC FPGA
CPU: 667 MHz
より高度なメモリ・コントロー
ラを搭載しているため、アルテラ
SoC FPGA の 400 MHz DDR3 メモリ・イン
タフェースは、競合デバイスの 533
MHz DDR3 メモリ・インタフェース
より性能が優れています。
CPU: 667 MHz
3,000
2,000
1,000
64 M
32 M
16 M
8M
4M
2M
1M
512 K
256 K
128 K
64 K
32 K
16 K
8K
4K
2K
1K
512
0
転送サイズ (バイト)
縦軸はメモリ帯域幅、横軸はデータ転送サイズを表します。( メモリ帯域幅は高いほど優れています。) 曲線は、データ・サイズが L1 キャッ
シュ (32 KB のデータ + 32 KB の命令 ) から L2 キャッシュ (512 KB 共有 )、外部メモリに変わるにつれて、3 つのステージにグループ化
できます。アルテラ SoC FPGA は、L1 および L2 キャッシュ領域でベンダー B の SoC FPGA よりも性能がはるかに優れています。前述
のように、転送が外部メモリ ( 曲線上で 512 KB 超 ) に達するまでに、SoC FPGA 上の外部バスが 533 MHz であるベンダー B のソリュー
ションが、メモリ・バスが 400 MHz であるアルテラ Cyclone V SoC FPGA を上回ると考えられます。ところが、それは事実ではなく、
データ転送サイズが 1 MB を超えるメイン・メモリにアクセスするときでもアルテラ SoC FPGA は同等以上の性能を発揮します。これは、
アルテラ SoC FPGA の L1/L2 キャッシュの構造と外部メモリ・コントローラの優位性によるものです。
図 4 に示すように、データ転送サイズを小 (512 バイト～ 16 KB)、中 (16 KB ～ 1 MB)、および大 (2 MB 超 ) にグループ化することが、
曲線の 3 つの異なる領域の数値解析を行うのに役立ちます。
図 4. データ転送サイズでグループ化した LMbench メモリ帯域幅の違い
メモリ帯域幅の向上
アルテラ SoC FPGA と SoC FPGA B の
メモリ帯域幅の比率
18%
16%
14%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
17.03%
CPU 周波数
667 MHz
667 MHz
メモリ・デバイス
周波数
400 MHz
533 MHz
6.60%
6.28%
512 バイト〜16 KB
アルテラ SoC FPGA SoC FPGA B
16 KB〜1 MB
データ転送サイズ (バイト)
2 MB〜67 MB
ベンチマーク：LMbench
アクセス：部分メモリ読み出し／書き込み
さらに効果的なキャッシュ構造とさらに高度なメモリ・コントローラを搭載したアルテラ SoC FPGA は、外部メモリ・バスの動作周波
数が低いにもかかわらず、小、中、および大量メモリ・アクセスのいずれの領域でも最大 17 % 高いメモリ帯域幅を引き出します。
これらの結果は、SoC FPGA を比較するには、メモリ・バス仕様だけでなくメモリ・システム性能の測定値も確認することが重要であ
ることを示しています。メモリ・コントローラのアルゴリズムは、トランザクションの優先順位管理、コマンド／データのリオーダリ
ング、および DWRR (Deficit Weight Round Robin) アルゴリズムなどを使用した保留トランザクションのスケジューリングによって最
大の帯域幅を引き出します。さらに、メモリ・コントローラをソフトウェアでシステムのカスタム・データ・プロファイルに合わせたり、
優先順位を設定したり、ポートやトランザクション・チャネルを割り当てたり、さらにはそれらの間で帯域幅を共有したりして性能向
上を図ることも可能です。
まとめ
メイン・メモリの選択は、アーキテクチャが重要である領域のもう 1 つの例です。今日のメモリ・コントローラは高度なアルゴリズム
を使用してシステム・メモリの効率を最大化できます。優れたメモリ・コントローラはシステム・メモリからさらに多くの帯域幅を引
き出すことができるため、低い周波数で動作するメモリでも同等のスループットが得られ、システムの消費電力が節約されてシステム・
デザイン全体に利点がもたらされます。
詳細情報
アルテラ SoC FPGA アーキテクチャと LMbench 性能の結果の詳
細については、EE Journal にて提供されるオンライン・セミナー
Architecture Matters: Three Architectural Insights for SoC FPGAs
をご覧ください。
アルテラ Cyclone V SoC メモリ・コントローラのアーキテクチャ
と設定の詳細については、Cyclone V デバイス・ハンドブック
Volume 3 のハード・プロセッサ・システムのテクニカル・リファ
レンス・マニュアルの SDRAM コントローラ・セクションをご
覧ください。
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本資料に掲載されている内容は、製品の仕様の変更等により予告なく変更される可能性があります。最新の情報はアルテラ・ウェブサイトをご参照ください。
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SS-01243/JP

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