一种主板、处理器板卡及计算系统的制作方法

1.本技术涉及计算机技术领域，特别涉及一种主板、处理器板卡及计算系统。


背景技术：

2.随着信息技术的进步，尤其是人工智能技术的发展，各种应用场景中需要采集的数据种类与规模也日趋增加，图像、视频、语音、位置、姿态等各种传感器都在实时产生大量数据，对于负责对这些数据进行处理的cpu(中央处理器，central processing unit)来说，其性能的增长却远低于处理需求的增加。由此人们开始利用gpu(图形处理器，graphics processing unit)、fpga(现场可编程逻辑门阵列，field programmable gate array)、asic(专用集成电路，application specific integrated circuit)等专用的加速设备来完成这些计算密集型的任务，而cpu只需要负责任务调度与数据汇总。当fpga或gpu等并行计算能力突出的设备参加协同处理时，它们与cpu之间会有频繁且海量的数据交互，一个高带宽低延迟的连接手段已成为硬件架构的核心需求。比较典型的如自动驾驶、车路协同等涉及到感知与决策类边缘计算系统。
3.当前，边缘计算系统等硬件设备包括有cpu系统、传感器采集系统与ai计算系统。业内普遍采用的方案为用工控机或边缘计算服务器实现cpu系统，用fpga或asic专用芯片实现传感器采集系统，用gpu实现ai计算系统。这套cpu fpga gpu的系统实现，在硬件上一般为在一个计算机机箱内设置主板，在主板上搭载fpga卡与gpu卡的形态。然而，当前的cpu系统通常直接设置在主板上，为了与其他非cpu板卡相连，还需在主板上设置额外的插槽，这使得主板的面积较大。此外，若发生场景变换使得需要更换不同型号的新cpu，则需要针对该新cpu设置单独的主板、机箱结构等，工作量较大。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种主板、处理器板卡及计算系统，降低了对设备内空间的要求，减少了主板设计的工作量。
5.为解决上述技术问题，本技术提供了一种主板，包括：
6.若干个接口，所述接口中的第一接口用于与具有处理器电路的处理器板卡相连，所述接口中的第二接口用于与非处理器板卡相连，所述第一接口与所述第二接口之间通过通信电路相连；
7.其中，所述处理器板卡上的处理器电路基于目标内存运行，所述目标内存包括第一内存，或包括第一内存和第二内存，所述第一内存位于所述处理器板卡，所述第二内存位于所述非处理板卡。
8.可选地，还包括交换芯片，所述接口通过所述通信电路与所述交换芯片相连。
9.可选地，所述第一接口为所述交换芯片的上游接口，所述第二接口为所述交换芯片的下游接口。
10.可选地，所述第一接口的数量为至少两个，各个所述第一接口之间基于一致性协
议互连。
11.可选地，所述主板还包括供电部件，所述供电部件通过第一供电电路向所述接口供电。
12.可选地，所述主板还包括供电接口，所述供电接口用于与外部板卡相连，所述供电部件通过第二供电电路向所述供电接口供电。
13.可选地，所述主板还包括基板管理控制器，所述基板管理控制器通过控制电路与所述接口相连。
14.可选地，所述基板管理控制器通过所述控制电路与温控部件相连，用于控制所述温控部件。
15.可选地，所述第二内存所处的非处理器板卡为内存扩展卡，所述内存扩展卡包括内存控制器和内存扩展插槽。
16.可选地，所述第一内存为内存颗粒形态，被焊接在所述处理器板卡上。
17.本技术还提供了一种处理器板卡，包括处理器电路、第一内存和通信接头，所述通信接头用于与上述的主板上的第一接口相连，所述处理器电路基于目标内存运行，所述目标内存包括所述第一内存，或包括所述第一内存和第二内存，所述第二内存位于与所述主板连接的非处理板卡。
18.本技术还提供了一种计算系统，包括上述的主板、上述的处理器板卡以及非处理器板卡，所述处理器板卡上的通信接头与所述主板上的第一接口相连，所述非处理器板卡上的通信接头与所述主板上的第二接口相连。
19.可选地，所述计算系统还包括目标线缆，所述目标线缆用于连接任意两个板卡上的目标端口。
20.本技术提供的主板，主板包括若干个接口，接口中的第一接口用于与具有处理器电路的处理器板卡相连，接口中的第二接口用于与非处理器板卡相连，第一接口与第二接口之间通过通信电路相连；其中，处理器板卡上的处理器电路基于目标内存运行，目标内存包括第一内存，或包括第一内存和第二内存，第一内存位于处理器板卡，第二内存位于非处理板卡。
21.可见，该主板采用了以连接为中心的设计思路，摒弃了传统的以cpu为中心的硬件设计思路。可以理解的是，无论采用何种型号的cpu，其都需要与非处理器板卡相连，因此在本技术中，将主板设计为不具有处理器电路的，仅提供连接功能的板卡，其上提供用于与处理器板卡进行连接的第一接口，以及与非处理器板卡上连接的第二接口，此外还有将第一接口和第二接口连接的通信电路。通过上述设置，可以将处理器板卡视为与非处理器板卡同等地位。由于不具有处理器电路，仅需要提供与处理器板卡相连的第一接口，因此相比原有主板，本技术的板卡面积减小，而处理器板卡与其他非处理器板卡可以以层叠的方式与主板相连，减少了所需的空间，降低了对设备内空间的要求。此外，无论cpu的型号发生如何变化，其与外部通信的标准都相同，因此具有不同的处理器电路的处理器板卡都可以通过第一接口与处理器板卡相连。若发生场景变换使得需要更换不同型号的新cpu，则无需单独设计主板，直接更换处理器板卡即可，减少了主板设计的工作量。此外，主板还能够支持处理器电路或在需要时基于非处理器板卡上的第二内存运行，提高了处理器板卡的运行灵活性。
22.此外，本技术还提供了一种处理器板卡和计算系统，同样具有上述有益效果。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1为本技术实施例提供的一种计算系统的结构示意图；
25.图2为本技术实施例提供的一种具体的计算系统的结构示意图；
26.图3为本技术实施例提供的一种计算系统组成部件示意图；
27.图4为本技术实施例提供的一种处理器板卡的结构示意图；
28.图5为本技术实施例提供的一种控制电路拓扑结构图；
29.图6为本技术实施例提供的一种主板供电系统拓扑结构图；
30.图7为本技术实施例提供的一种内存扩展卡拓扑结构图；
31.图8为本技术实施例提供的一种内存扩展应用的应用场景示意图。
具体实施方式
32.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.请参考图1，图1为本技术实施例提供的一种计算系统的结构示意图，其中，其中包括主板10、处理器板卡20和非处理器板卡30，其中，非处理器板卡，是指不具有处理器电路的板卡，例如可以为fpga板卡、gpu板卡或asic板卡。处理器板卡，是指具有处理器以及相关电路的板卡，处理器以及相关电路可以统称为处理器电路。可以看出，本技术中采用了主板10将处理器板卡20和非处理器板卡30相连。
34.具体的，主板10包括若干个接口，接口中的第一接口101用于与具有处理器电路的处理器板卡20相连，接口中的第二接口102用于与非处理器板卡30相连，第一接口101与第二接口102之间通过通信电路103相连。具体的，第一接口101用于与处理器板卡20上的通信接头201相连，通信接头201与处理器电路202相连，实现处理器电路202与主板10的连通。此外，非处理器板卡30上同样具有与第二接口102相连的通信接头301，通过通信电路103，处理器电路202能够与非处理器板卡30进行通信，实现当前传统的以处理器为中心的设计思路得到的主板所能够实现的功能。
35.即本技术中的主板10上，采用了以连接为中心的设计思路，仅具有与外部板卡连接的接口以及接口之间的通信电路，仅提供连接的功能。可以理解的是，无论采用何种型号的cpu，其都需要与非处理器板卡相连，因此在本技术中，将主板设计为不具有处理器电路的，仅提供连接功能的板卡。通过上述设置，可以将处理器板卡视为与非处理器板卡同等地位。由于主板上不具有处理器电路，因此相比原有主板，主板的板卡面积减小，而处理器板卡与其他非处理器板卡可以垂直于主板的平面，以层叠的方式与主板相连，因此减少了所
需的空间，降低了对设备内空间的要求。此外，无论cpu的型号发生如何变化，其与外部通信的标准都相同，因此具有不同的处理器电路的处理器板卡都可以通过第一接口与处理器板卡相连。若发生场景变换使得需要更换不同型号的新cpu，则无需单独设计主板，直接更换处理器板卡即可，减少了主板设计的工作量。需要说明的是，第一接口的具体类型不做限定，例如可以为基于pcie4.0协议、基于pcie5.0协议、基于gen-z协议的接口。
36.为了能够更加灵活地控制和仲裁通过通信电路进行的数据交换，以及进一步提高通信灵活程度，主板上还可以包括交换芯片，交换芯片通过通信电路与接口相连，进而对接口输入或输出的数据进行调度，在提高通信灵活程度的同时，避免处理器电路通信能力有限导致与处理器板卡通信的非处理器板卡数量受限的问题。请参考图2，图2为本技术实施例提供的一种具体的计算系统的结构示意图，其中示出的主板上具有pcie switch交换芯片，具体型号可以为pex8749。相应的，主板上的接口采用了pcie总线接口，具体为pcie4.0，包括pcie slot0、pcie slot1、pcie slot2三个接口，此外，还包括slimsas(pcie3.0
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16)接口。其中，pcie slot1和slimsas两个接口为第一接口，pcie slot0和pcie slot2两个接口为第二接口。其中，cpu卡即为处理器板卡，其上的golden finger(pcie4.0)即为处理器板卡上的通信接头。相应的，fpga卡和gpu卡均为非处理器板卡，其上的golden finger(pcie4.0)同样为的通信接头。在运行过程中，可以利用fpga卡实现传感器采集系统，利用gpu卡实现ai计算系统，二者与cpu配合，组成作为边缘服务器、工控机等的计算系统。
37.进一步的，在另一种实施方式中，在主板连接多个非处理器板卡时，为了进一步提高通信灵活度，可以将交换芯片的上游接口设置为第一接口，将交换芯片的下游接口设置为第二接口。通过上述设置，连接在不同第二接口上的非处理器板卡可以以p2p(peer to peer，对等网络)的方式相互访问，无需通过处理器板卡的调度，体现了以连接为中心的架构的灵活高效的特点。例如可以参考图2，图2中的pcie slot0、pcie slot2为第二接口，若其均为pcie switch的下游接口，则fpga卡和gpu卡可以直接进行通信。
38.此外，在另一种实施方式中，为了提高数据处理能力，主板上可以具有至少两个第一接口，每个第一接口分别与一个处理器板卡相连，整个计算系统即可具有至少两套处理器电路进行数据处理，为了保证计算系统能够正常运行，板卡间的各个第一接口之间基于一致性协议互连。具体的，主板可以包括例如upi、axi、ccix等一致性协议接口，处理器板卡可以与一致性协议接口相连，进而使得各个处理器电路能够作为一个整体进行数据处理。
39.可以理解的是，在另一种实施方式中，主板还用于向其他板卡供电，因此主板可以包括供电部件，该供电部件通过第一供电电路向接口供电。处理器板卡和非处理器板卡通过接口获取主板提供的电能。供电部件可以为直流供电部件，或者可以为交流供电部件。例如，请参考图2，图2中主板的power connector(电源连接器)即为供电部件，其可以与外部电源相连，通过power supply线路(即第一供电线路)向外供电。在另一种可行的实施方式中，主板上的供电部件可以为无需与外部连接的部件，例如可以为电池供电部件。可以理解的是，除了为接口供电外，供电部件还可以为主板上的其他部件供电，例如为交换芯片供电。
40.更进一步的，由于接口能够提供的电能相对有限，例如对于pcie接口来说，其通常能够提供75w的电能。对于某些处理器板卡或非处理器板卡来说，75w的电能并不能够支撑其运行。因此，在另一种可行的实施方式中，主板上还包括供电接口，供电接口用于与外部
板卡相连，外部板卡具体可以为处理器板卡或非处理器板卡。供电部件通过第二供电电路向供电接口供电，使得外部板卡能够从除接口以外的其他路径处获取电能。本实施例并不限定供电接口的具体功率、电压或电流，也不限定其采用的接口形式。
41.在另一种实施方式中，主板上还可以包括基板管理控制器(baseboard management controller，bmc)，通常情况下，一个计算系统中仅具有一个bmc，因此该bmc可以通过控制电路与上述的接口相连，以便对处理器板卡和非处理器板卡进行管理。控制电路可以采用i2c(inter-integrated circuit)总线电路，或者其他可行的形式。本实施例并不限定具体的管理内容，例如可以包括温度控制(即散热调控)、状态监管、供电控制等。请参考图2，图2中bmc设置在主板上，通过pcie_smbus(即控制电路)与接口相连。更进一步的，计算系统内的温度严重影响着硬件的工作状态，因此在一种实施方式中，bmc通过控制电路与温控部件相连，根据检测到的温度状态控制温控部件。该温控部件具体可以位于主板上，或者可以位于外部板卡上，其形式可以为风扇。
42.基于上述任意一种实施方式，为了进一步提高通信灵活性，计算系统中还可以具有目标线缆，目标线缆能够将任意两个板卡上的目标端口，需要说明的是，目标线缆与目标端口采用的通信协议匹配。具体的，请参考图2，图2中具有两个cable(即线缆)，其中一个将主板的slimsas(pcie3.0
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16)接口和处理器板卡上的slimsas(pcie4.0)接口相连，另一个将处理器板卡上的slimsas(25gkr
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4)接口和fpga卡上的slimsas(25gkr
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4)接口相连。通过设置目标线缆，可以进一步提高系统的通信灵活性。
43.在实际应用中，非主板的其他外部板卡通常与主板所在的平面相垂直地设置在主板上。请参考图3，图3为本技术实施例提供的一种计算系统组成部件示意图。其中显示了图2的已连接为中的硬件架构中的各个部件，可见，主板在抛弃处理器电路后，大大减小了面积。cpu卡、fpga卡和gpu卡将分别插入到主板上插槽形式的接口中，三者以层叠的形式设置，且均处于主板的覆盖面积内，计算系统不会在主板所在的平面方向占用空间。在垂直于主板所在平面的方向，由于原本就存在fpga卡占用了一定长度的空间，因此即便在原有基础上新增了cpu卡，也不会使得占用的空间增加，因此使得计算系统的占用的空间锐减。在实际检测中，比申请提供的主板的面积比一张全高全长(110x300mm)的pcie标准卡还要小，因此整机的机箱尺寸得到了有效控制。且，由于需求相对简单，cpu卡也可以在一张全高3/4长的(110x254mm)pcie卡空间内得以实现。
44.请参考图4，图4为本技术实施例提供的一种处理器板卡的结构示意图。可以看出，其中包括intel的处理器以及bios、内存、io部件、存储部件等多种部件以及相关连接电路，共同构成处理器电路。此外，处理器板卡上还包括pciegen4.0
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16的金手指作为通信接头。另外，当主板上不存在bmc时，处理器板卡上可以设置有bmc。
45.请参考图5，图5为本技术实施例提供的一种控制电路拓扑结构图。其中的smbus switch为bmc，其通过控制电路，分别与电源传感器(即p12vi-sensor)、风扇控制部件(即fan ctrl-01和fan ctrl-02)、温度传感器(即temp,sensor-01和temp,sensor-02)、接口(即pcie slot-00、pcie slot-01和pcie slot-02)和smb扩展器(即smb(system management bus，系统管理总线)expender)相连。
46.请参考图6，图6为本技术实施例提供的一种主板供电系统拓扑结构图。其中，dc connector为直流电源连接器，以引入直流电，通过12v电流检测单元向外供电，具体包括直
接提供12v电压，或者经过12v转5v、12v转3.3v的处理后得到5v和3.3v的电压。上述电流向接口(即pcie slot0、pcie slot1和pcie slot2)供电，同时为bmc(smb switch)、温度传感器(temp.sensor)、前面板(front panel)、smb扩展器(expender)、风扇(fan)等供电。
47.需要注意的是，在本技术中，主板能够支撑处理器板卡调用非其本身的第二内存，以运行处理器电路。具体的，处理器板卡上的处理器电路基于目标内存运行，目标内存包括第一内存，或包括第一内存和第二内存，第一内存位于处理器板卡，可以被称为近端内存，第二内存位于非处理板卡，可以而被称为远端内存。即在本技术中，处理器板卡在需要时，可以调用非处理器板卡上的第二内存，通过主板进行数据传输，将处理器电路运行时产生的数据存储在非处理器板卡上的第二内存。处理器板卡通过第一接口、主板、第二接口形成的高速串行总线链路，对非处理器板卡上的第二内存进行读写访问。为了实现该功能，主板能够支持缓存一致性协议，使得其参与构成的高速串行总线乱路能够支持缓存一致性协议，该协议的具体实现过程可以根据需要进行设置，在此不再赘述。
48.第一内存和第二内存的具体大小和形态不做限定，在一种实施方式中，为了降低处理器板卡的设计难度，同时更便于散热，第一内存可以采用内存颗粒形态直接焊接在处理器板卡上，而不采用内存条形态。传统的cpu都带有两个或以上的内存通道，每个内存通道对应一个或两个内存插槽，每个内存插槽对应于第一个内存条。每个内存插槽需要至少260个引脚。内存插槽越多，占用电路板的空间越大，并需要在cpu与内存插槽之间连接更多的走线，而且需要更多的电路板层数，进而使得处理器板卡的电路板面积、走线数量与电路板层数增加，提高了设计难度。通过采用颗粒形态的第一内存，相比体积庞大的内存插槽，散热更容易，板卡设计难度更低。
49.此外，为了降低功耗，第一内存的容量可以小于第二内存的容量，在一种实施方式中，第一内存的容量能够支撑处理器电路启动和初始化操作即可，后续的业务过程中可以调用远端内存。
50.本实施例并不限定第二内存所属的非处理器板卡的形式和类型，在一种实施方式中，可以设置有专门的内存扩展卡。请参考图7，图7为本技术实施例提供的一种内存扩展卡拓扑结构图。内存扩展卡中包括拓展芯片，扩展芯片上包括内存控制器，此外，还包括多个内存扩展插槽，每个内存控制器控制一个内存扩展插槽，具体控制方式不做限定。扩展芯片上还包括高速串行总线接口，用于与金手指(golden finger)相连，进而与主板相连。
51.在另一种实施方式中，第二内存可以位于fpga卡、asic卡等其他具有计算功能的板卡，这些计算板卡上同样具有支撑其本身运行的内存。在需要时，这些内存中可以被划分出部分，作为第二内存。请参考图8，图8为本技术实施例提供的一种内存扩展应用的应用场景示意图。其中，cpu卡通过主板上提供的高速串行总线，能够访问fgpa卡上的内存。
52.由此可见，在一种实施方式中，整个计算系统中存在cpu卡、内存扩展卡以及非内存扩展卡的非处理器板卡时，可供处理器电路使用的内存共有三种。在这种情况下，可以设置相应的内存优先级，处理器电路能够根据内存优先级选择内存。具体的，处理器电路可以优先使用近端内存，若无法满足需求，可以进一步使用fpga卡/gpu卡等加速卡上的内存作为第二内存，第二内存的具体大小由cpu卡与加速卡协商确定，或者由加速卡根据自身需求确定。若仍然无法满足需求，则最后使用内存扩展卡。
53.本领域技术人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例
的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应该认为超出本技术的范围。
54.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系属于仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语包括、包含或者其他任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
55.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。