[经验] FPGA原型验证的技术进阶之路

Emelee

FPGA原型验证已是当前原型验证的主流且成熟的芯片验证方法——它通过将RTL移植到现场可编程门阵列（FPGA）来验证asic的功能，并在芯片的基本功能验证通过后就可以开始驱动的开发，一直到芯片Tape Out并回片后都可以进行驱动和应用的开发。


目前ASIC的设计变得越来越大，越来越复杂，单片FPGA已不能满足原型验证要求，多片FPGA验证应运而生。本文我就将与大家探讨FPGA原型验证的几个经典挑战性场景，（具体应对的办法，请戳原文。）

• 容量限制和性能要求
  

对于大型的设计（大于2千万等效ASIC门）,一块FPGA往往容纳不下，此时必须将多块FPGA互联才能验证整个设计，在这种情况下，就需要对大型的设计进行Partition即分割。Partition引入了新的问题，而这些问题其实在芯片中并不存在，很多时候耗费很多人力去实现一个可用的Partition方案，仅仅是受限于FPGA的容量而不得已的处理办法。Partition引入的最大问题是对I/O的需求激增，虽然FPGA有超过1000个可用的I/O，但是一个完整的SoC如果被拆分成规模相当的几个部分时，每个部分之间的互联信号数量往往会远超1000个，所以在I/O数量受限时，必须采用TDM（Time Division Multiplex），即FPGA内部的多个并行信号转为高速串行信号，通过FPGA I/O传输到另一块FPGA，然后再进行解复用，转换成并行信号，实现信号从一个FPGA到另一块FPGA的传递。引入了TDM虽然解决了I/O瓶颈，但是Mux和De-Mux引入了额外的延时，导致Cross-FPGA的Path成为Critical Path，进一步降低了FPGA的可运行频率，可以说Partition是不得已而为之的方案，最终的结果只是得到一个可用的方案而非理想的方案。另一个方面，由于在SoC原型验证中模块常常会增减，导致需要频繁的改动Partition方案，如果手动去处理，则需要花费很多精力才能得到一个上文提到可用但折中的方案。此外，处理大量的Cross-FPGA信号非常容易出错，所以对于大型的SoC FPGA原型验证，必须采用自动化的工具去完成Partition，这对EDA工具而言亦是全新的挑战。

• 迭代速度
  

由于SoC芯片的设计频率很高，为了让原型验证平台尽可能和SoC芯片性能接近，开发者期望让FPGA原型平台运行在尽可能高的频率上，但是由于SoC的RTL代码是为芯片实现设计，大量深层次组合逻辑的存在（这样可以节省芯片面积），导致了SoC RTL代码在FPGA上实现时时序收敛困难，往往只能达到几MHz。

• 可观测性
  

FPGA也是芯片产品，所以内部的信号无法直接观测。通常需要借助于FPGA的debug工具在生成Bit文件前选取要观察的信号。当Bit文件加载运行时，必须通过配套的Debug工具观察指定的信号波形，但是受限于Block RAM的容量以及信号优化等原因，如此调试的效率比较低。

• 产品的成熟度
  

原型验证是一项壁垒颇高的技术，串联着芯片设计和最终应用，需要极强的适用性和灵活度来适应发展迅速和多样性的芯片研发，通过和一线芯片研发人员的通力合作，打造使用生态圈，不断进化和迭代技术才能始终帮助芯片开发者实现“ShIFt-Left”研发，加快产品上市时间。

• 各类FPGA原型验证平台技术对比
  

目前市面上常见的FPGA原型验证平台可以分为两大类别，一类是芯片设计公司自己制作的FPGA板(Build Your Own, 以下简称BYO); 另一类是商用FPGA平台，比如新思科技的HAPS方案。


就上文提到的一些具体考量点，各类原型验证平台的对比如下: https://www.synopsys.com/blogs/s ... 08/fpag-prototying/

如下表所示，HAPS80方案，在全面性，成熟度，和对大规模设计的支持上，都有明显的优势。

西西在冰城

昂     

xiaoxiao123456

兄弟 我刚刚开始做fpga原型验证 头大死了哈哈 方便留个微信私聊吗 请教请教