FPGA原型平臺到底能跑多快呢？

前面有講到過，FPGA原型設計是在芯片流片之前最接近芯片應用真實環(huán)境的場景，這個真實環(huán)境不僅僅是說外部物理環(huán)境接近，還在于性能速率是最接近的，當然真的比起ASIC芯片的實際速率還是差的很多的，當然這個速率已經是流片之前能模擬的最佳場景了，所以對于軟件的debug作用就很大了。那么，F(xiàn)PGA原型平臺到底能跑多快呢？

FPGA原型平臺的性能估計與應用過程的資源利用率以及FPGA性能參數(shù)密切相關，甚至FPGA的制程也是一個因素。性能從相關的FPGA資源數(shù)據表中的時序信息中容易地提取特殊功能模塊的估計。但要評估FPGA原型平臺的整體速率是很困難的。但是，可以從綜合工具獲得整個設計比較好的性能估計。盡管綜合工具會考慮布線的延遲，但布線實際延遲時間取決于FPGA的位置和布線過程，并且可能與綜合工具的估計不同。在較高的利用率水平下，由于布線可能變得更困難，因此差異可能會很明顯，但初始性能估計是一個非常有用的指導。

現(xiàn)代原型驗證平臺中采用的FPGA芯片，很多是多die封裝的芯片（例如VU19P等），使用多die FPGA時，或多或少的都遇到過時序收斂問題；而這些時序收斂的問題很大程度上影響性能，F(xiàn)PGA性能在很大程度上取決于提供給綜合工具的約束。而這些約束取決于FPGA工程師的經驗，這些約束指導綜合工具以及隨后的布局布線工具如何最佳地實現(xiàn)期望的性能。以下的總結非常受到認可，因此直接引用過來。

多die芯片其實是SSI（Stacked Silicon Interconnect）芯片，其結構如下圖所示。其實就是在一個封裝里，把多個芯片，也就是我們說的SLR（Super Logic Region）用interposer“綁”在一起，SLR之間的連接用專用布線資源SLL（Super Long Line）。

該截圖來自xilinx文檔872 - Large FPGA Methodology Guide (v14.3)

多die芯片為什么容易出現(xiàn)時序問題了，一個是SLL資源有限，兩個SLR之間的SSL資源是有限的。第二個就是本身die之間的走線延時相對比較長。

第一、從方案架構設計的角度看，F(xiàn)PGA的設計其實是數(shù)據流0和1的流動路徑的設計，即數(shù)據流在不同模塊之間進行傳遞。多die的FPGA中，關鍵就是處理相關數(shù)據流跨die傳輸?shù)膯栴}。在方案設計階段，首先要考慮一級模塊在不同die中的分布。如何合理分配一級模塊的布局，主要從以下2個方面考慮。

（1）資源，各個一級模塊分布在各個die的時候，要進行合理的資源評估，考慮到資源占用情況，建議每個die中LUT在60%左右（原文是不超過70%），REG資源不超過80%，RAM資源不超過80%。即moudle A + moudle B的資源盡量不要超過上述限制，如果超過，就要考慮把一個模塊做拆分，移入SLR1或者SLR2中。如果想跑的更快，建議資源利用率在50%左右。

（2）數(shù)據流，以die為單位，做到高內聚、低耦合。一級模塊（越往頂層的方向）之間的接口要簡單，盡量采用流式接口。數(shù)據流也要簡單，數(shù)據流不要在各個die之間來回穿越（input和output減少交互）。即一級模塊劃分的時候，不但要考慮資源，還要考慮數(shù)據流的走向。

第二、在具體實現(xiàn)中，對于跨die的信號處理，官方的文檔（ug949）中提供了2種方式，一種是通過約束的方式使用LAGUNA寄存器，一種是通過自動流水打拍的方式。秉承問題的解決能用代碼就不用約束的思想，這里介紹一種和官方指導的第二種方案類似的方法，但是是用RTL代碼解決，可移植性更好。如下圖所示，紅色打拍邏輯（將所有的跨die信號打2-3拍）插入在跨die數(shù)據流的兩側。對于穿越整個die的數(shù)據流，比如module B到module C的數(shù)據流，可以在中間die插入一個過橋的打拍模塊。這種方案在實踐中被證明也能很好地解決時序收斂問題。

第三、復位信號的處理?？鏳ie邏輯中有一類時序收斂問題就是復位信號的問題。筆者曾遇到一個問題，如下左圖所示，復位邏輯在中間的die，復位3個die的所有邏輯。每個die的資源消耗比較高，LUT在70%，RAM在80%，REG相對好點，不到50%。最終因為扇出較大，導致Recovery不滿足。

解決方案很簡單，就是將復位信號先同步到各個die后，只復位一個die的邏輯，這樣很好地解決了大量復位信號跨die問題，如下右圖所示。

總結，解決多die FPGA的時序收斂問題，就是合理規(guī)劃數(shù)據流、復位的方案，跨die數(shù)據流做好“橋接”。

有許多因素影響映射到多FPGA系統(tǒng)設計的時鐘速率，如下所述：

設計類型：高度流水線化的設計可以更好地映射到FPGA的資源架構中，并利用其豐富的FF，可能比流水線化程度較低的設計運行得更快。

設計內部連接：具有復雜連接的設計（其中許多節(jié)點具有較高的扇出）將比具有較低扇出連接的設計運行得慢，因為可能存在較長的布線延遲。在設計中也很難找到分區(qū)解決方案的位置，因為只有很少的IO可以容納在FPGA面積內。更高的互連設計將更可能需要將多個信號復用到相同的IO引腳上。

資源利用率級別：通常利用率級別越高，設計越擁擠，導致內部延遲越長，時鐘速率越慢。

FPGA性能：FPGA本身的性能。即使采用了比較合適的優(yōu)化的FPGA版本設計，我們最終也會達到FPGA結構的上限。然而，在大多數(shù)情況下，在FPGA的絕對內部時鐘速率之前，設計的非優(yōu)化性質和工具的效率將被視為一個極限。

FPGA間時鐘：在多FPGA系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA到FPGA的時鐘偏移和連接延遲會限制系統(tǒng)時鐘速率。雖然FPGA理論上可以以數(shù)百兆的時鐘速率運行內部邏輯，但其標準IO速度明顯較慢，通常是限制系統(tǒng)時鐘速率的主要因素。

外部接口：映射到FPGA原型系統(tǒng)中的SoC設計可能以比SoC目標時鐘慢的時鐘速率運行。除了預期的性能損失外，這并不是很大對于沒有外部刺激運行的封閉系統(tǒng)或刺激可以以較慢的速率運行以匹配系統(tǒng)時鐘速率的系統(tǒng)而言，這是一個問題。在某些情況下，原型系統(tǒng)必須與無法減緩的刺激交互。

FPGA間連接：當所有FPGA間IO連接耗盡時，可以使用引腳復用。在多時域復用（TDM）中，多個信號通過以比復用在一起的單個信號的數(shù)據速率更快的時鐘運行而共享單個引腳。例如，當復用四個信號時（TDM為1：4），假設要每個信號以20MHz的速率運行，組合信號將需要至少以80MHz的速率運行并且實際上更高，以便允許第一個和最后一個采樣信號的定時。由于FPGA到FPGA的數(shù)據速率受到物理FPGA引腳和電路板板間傳播延遲的限制，因此本示例中單個信號的有效數(shù)據速率將僅小于最大FPGA間數(shù)據速率的四分之一。

審核編輯：劉清