為什么FPGA在原型驗證中越來越重要

當(dāng)前，智能手機(jī)AP（應(yīng)用處理器）的迭代周期已經(jīng)縮短到每年一次。事實上現(xiàn)在消費(fèi)電子很多SoC（片上系統(tǒng)）都是每年更新一代產(chǎn)品，甚至是一些定制性的ASIC（專用集成電路）也在以12-18個月的周期進(jìn)行升級。與此同時，隨著芯片制造工藝越來越先進(jìn)，芯片設(shè)計的復(fù)雜度呈指數(shù)級增長。這種近乎矛盾的發(fā)展趨勢讓芯片設(shè)計公司面臨著巨大的創(chuàng)新壓力，同時先進(jìn)工藝高昂的量產(chǎn)成本進(jìn)一步增加了企業(yè)的經(jīng)營風(fēng)險。

在這樣的大背景下，芯片設(shè)計公司對基于FPGA的原型驗證更加重視，越來越多的芯片選擇用FPGA進(jìn)行設(shè)計評估，包括功能驗證和時序驗證等，以確保所設(shè)計的芯片和需求相匹配，應(yīng)對資金和時間帶來的巨大挑戰(zhàn)。本文將為大家介紹FPGA原型驗證的魅力，以及貿(mào)澤電子在售的極具市場競爭力的FPGA產(chǎn)品和相關(guān)的開發(fā)套件。

FPGA原型驗證的魅力

FPGA是一種應(yīng)用廣泛的芯片，在通信、計算、控制等領(lǐng)域都能看到它的身影，而將RTL移植到FPGA來進(jìn)行芯片原型驗證，在ASIC、ASSP（專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品）和SoC等從設(shè)計到制造的過程中也已經(jīng)是不可或缺。

隨著制造工藝進(jìn)入7nm、5nm，甚至是更先進(jìn)的3nm、2nm，成功設(shè)計一顆芯片要考慮的因素越來越多。原型驗證的目的是在芯片流片之前，盡可能地還原芯片真實的應(yīng)用場景，提升開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。從具體的執(zhí)行步驟來看，基于FPGA的原型驗證主要包括FPGA選型、定制或者購買原型板、芯片轉(zhuǎn)FPGA、調(diào)試啟動FPGA原型、軟硬件協(xié)同驗證、現(xiàn)場認(rèn)證等。確實，鑒于芯片的復(fù)雜度與日俱增，原型認(rèn)證不僅會驗證芯片的基本功能，同時也會在現(xiàn)實的使用環(huán)境中做更完善的認(rèn)證保障。

當(dāng)前，F(xiàn)PGA已經(jīng)被用于驗證相對成熟的RTL。從芯片設(shè)計角度來劃分，主要會包括RTL0、RTL1、RTL2、RTL3、GLS、TO六大環(huán)節(jié)，所涵蓋的驗證內(nèi)容包括芯片定義、子模塊實現(xiàn)、系統(tǒng)實現(xiàn)、門級表驗證。當(dāng)所有這些環(huán)節(jié)都沒有問題的時候，最終環(huán)節(jié)就是TO流片，芯片開始進(jìn)入到制造量產(chǎn)環(huán)節(jié)。

無論是FPGA角度還是RTL角度來切分流程，基于FPGA做芯片的原型驗證已經(jīng)是行業(yè)廣為認(rèn)可的方案，在純硬件和軟硬件方面都能夠提升效率。在純硬件方面，雖然目前單片F(xiàn)PGA已經(jīng)不足以驗證先進(jìn)制程上面的芯片，但方案商通過創(chuàng)新方案能夠?qū)⒍鄠€FPGA芯片組合成一個硬件系統(tǒng)，并克服了子模塊信號傳輸大于FPGA自身I/O接口數(shù)的問題。這依然是一個近乎精確的以高速運(yùn)行的芯片復(fù)制品，且極具性價比。

在軟硬件協(xié)同環(huán)節(jié)，目前采用FPGA做系統(tǒng)驗證具有不可替代性。FPGA的可編程特性帶來了極高的可操作性，讓軟硬件可以并行開發(fā)。芯片公司的合作伙伴可以更早地基于FPGA平臺做軟件和應(yīng)用開發(fā)，顯著縮短了產(chǎn)品上市的周期。

綜合而言，基于FPGA做原型驗證，可以加快芯片設(shè)計速度，幫助設(shè)計公司降低流片失敗的風(fēng)險，并通過軟硬件協(xié)同的特性縮短下游產(chǎn)品的上市周期。隨著芯片制造工藝越來越先進(jìn)，這種優(yōu)勢會愈發(fā)明顯。

高容量FPGA的理想之選

相信從事芯片原型驗證相關(guān)工作的工程師朋友都對Xilinx的Virtex-7 FPGA系列不陌生。其在芯片原型驗證方面有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括更優(yōu)的功耗性能比架構(gòu)、DSP性能以及I/O帶寬等。

貿(mào)澤電子在售的XC7VX485T-2FFG1158I型號FPGA是Virtex-7系列FPGA中的一款。

圖1：XC7VX485T-2FFG1158I示意圖（圖源：Xilinx）

Virtex-7屬于四大Xilinx 7系列之一，其他三個FPGA系列是Spartan-7、Artix-7和Kintex-7。Xilinx 7系列FPGA基于低功耗（HPL）、28nm、高K金屬柵極（HKMG）工藝技術(shù)打造，Virtex-7系列對28nm系統(tǒng)性能和集成進(jìn)行了優(yōu)化，屬于Xilinx 7系列中的高端系列，提供：

多達(dá)200萬邏輯單元

6.8B個晶體管

多達(dá)96個高級串行收發(fā)器

68Mb的塊RAM

3600個DSP模塊

5335 GMAC/s的DSP

1200個I/O接口

在信息傳輸方面，Virtex-7系列FPGA提供28.05Gb/s的傳輸速度，2784Gb/s的串行帶寬，1866Mb/s的存儲速度。同時，數(shù)以千計的SLL（Super Long Line）連接資源和跨越SLR的超高性能時鐘線路，使得Virtex-7系列FPGA在高容量FPGA中具有領(lǐng)先同時代產(chǎn)品的絕對實力。

原型設(shè)計與驗證是Virtex-7系列FPGA的典型應(yīng)用。該系列產(chǎn)品在設(shè)計之初就考慮到了SoC原型設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)高級調(diào)試、仿真加速和交互式設(shè)計微調(diào)。同時設(shè)計者借助Xilinx Vivado設(shè)計套件，還可協(xié)同優(yōu)化設(shè)計流程，進(jìn)一步降低成本和流片風(fēng)險，并提高設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品的上市周期。

講了這么多，你一定對Virtex-7系列FPGA心動了，但單純憑借器件參數(shù)有些工程師朋友還把握不準(zhǔn)該系列FPGA的性能表現(xiàn)。不要擔(dān)心，大家可以通過貿(mào)澤電子在售的Virtex-7 FPGA VC7215特性描述套件深入了解，這款套件的制造商編號為CK-V7-VC7215-G。

VC7215特性描述套件可以支持Virtex-7系列FPGA中的多款產(chǎn)品，包括XC7VX415T、XC7VX485T和XC7VX690T等。圖2是該套件的系統(tǒng)框圖，用戶可以借此對Virtex-7系列FPGA產(chǎn)品的收發(fā)器性能進(jìn)行評估，還可以完成硬件開發(fā)、設(shè)計工具、IP和預(yù)驗證參考設(shè)計。

圖2：Virtex-7 FPGA VC7215特性描述套件系統(tǒng)框圖（圖源：Xilinx）

該套件提供的Vivado Design Suiter軟件能夠極大地提升原型驗證的效率。這款軟件基于突破性的全新ML算法，能夠加速設(shè)計收斂。如下圖3所示，這套軟件能帶來平均10%、高達(dá)50%的突破性結(jié)果質(zhì)量（QoR）提升。另外，這套軟件提供的協(xié)同設(shè)計環(huán)境是業(yè)界首個采用模塊化設(shè)計的圖形化IP流程，能夠借助團(tuán)隊的設(shè)計助力提升生產(chǎn)力，高級DFX功能則能帶來5倍平均編譯時間減少。

Virtex-7 FPGA VC7215特性描述套件上面的BullsEye連接器帶來了強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，可連接各種評估平臺，包括背板、光學(xué)評估板和高速測試設(shè)備。每一個BullsEye連接器均可處理1個完整的GTH Quad、4個發(fā)送/接收對以及2個獨(dú)立的參考時鐘，從而能夠以極靈活的方式測試定制應(yīng)用。

當(dāng)然，隨著芯片制造工藝的精進(jìn)與需求復(fù)雜度的提升，部分ASIC和SoC原型設(shè)計與驗證需要更大型的FPGA平臺。而Xilinx UltraScale架構(gòu)無疑提供了功能更強(qiáng)大的解決方案，包括高邏輯容量、超過90%的器件利用率、堪比ASIC的時鐘、增強(qiáng)型布線和面向引腳多路復(fù)用的高速收發(fā)器簡化設(shè)計分區(qū)。

UltraScale架構(gòu)下的FPGA無疑是為了復(fù)現(xiàn)更復(fù)雜的ASIC和SoC功能，能夠大幅提升復(fù)雜原型設(shè)計的靈活性。而要深入了解這些領(lǐng)先的器件，可以借助貿(mào)澤電子在售的FPGA評估套件。

比如Xilinx VCU108評估套件便是用于開發(fā)和評估Xilinx UltraScale XCVU095-2FFVA2104E器件，制造商編號為EK-U1-VCU108-G。通過下方的VCU108評估板布局圖能夠看出，該評估板提供很多評估系統(tǒng)的通用功能，包括DDR4和RLD3組件存儲器、一個高清多媒體接口（HDMI）、一個四通道小型可插拔（QSFP+）連接器、一個八通道PCI Express接口、一個以太網(wǎng)PHY、通用I/O和兩個UART接口。

作為系統(tǒng)核心，XCVU095-2FFVA2104E這款FPGA提供了117.6萬個邏輯單元。而正如下圖5所示，在VCU108評估板上，XCVU095-2FFVA2104E器件共提供了17個I/O bank，為器件功能體驗提供了更高的靈活性。因此該評估套件可以為需要大量數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)包處理的原型設(shè)計系統(tǒng)（比如400+Gbps系統(tǒng)、大規(guī)模仿真和高性能計算）提供一個出色的平臺。

圖5：VCU108評估板I/Obank分布（圖源：Xilinx）

復(fù)雜系統(tǒng)下的成本效益

開發(fā)套件給了我們一個快速了解器件的捷徑，通過貿(mào)澤電子在售的Intel Cyclone開發(fā)工具便可以評估Intel Cyclone FPGA。這款開發(fā)套件的制造商編號為DK-DEV-5CGTD9N，工程師朋友可以直接借助開發(fā)工具進(jìn)行再創(chuàng)新，不僅可用于嵌入式視覺、工廠自動化等應(yīng)用的開發(fā)設(shè)計，也是概念驗證的理想起點(diǎn)。

作為板子的核心，Intel Cyclone V 5CGTD9 FPGA在FPGA行業(yè)面向6.144 Gbps收發(fā)器應(yīng)用的所有產(chǎn)品中，成本和功耗都很低，且自帶DSP模塊，因此在嵌入式視覺、工廠自動化等應(yīng)用極具性價比。同時，這塊FPGA作為Cyclone V系列產(chǎn)品中配置極高的一款，提供301000個邏輯單元，嵌入內(nèi)存高達(dá)13.917Mb，加上Intel提供的包括軟件、知識產(chǎn)權(quán)（IP）、設(shè)計實例等在內(nèi)的配套支持，將這款開發(fā)套件用于概念驗證同樣方便易用且具有成本優(yōu)勢。

為了適應(yīng)ASIC和SoC日益復(fù)雜的系統(tǒng)，Intel更推薦IC設(shè)計人員采用Stratix?10 GX系列，以合理成本實現(xiàn)高集成度的原型驗證解決方案，可實現(xiàn)更短的上市周期、更快的驗證速度和更高的系統(tǒng)集成。

在基礎(chǔ)性能方面，Intel Stratix?10 GX系列可提供1020萬個邏輯元件、2304個用戶I/O引腳、308Mb內(nèi)存以及高達(dá)17.4Gbps的帶寬，如果你的芯片設(shè)計更強(qiáng)調(diào)收發(fā)器的性能和靈活性，比如以太網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用，Intel Stratix? 10 GX系列在單獨(dú)的收發(fā)器塊上配備多達(dá)96個通用收發(fā)器，可提供2666Mbps DDR4外部內(nèi)存接口性能。這樣領(lǐng)先的配置再加上Intel提供的豐富的用戶指南，無疑讓Stratix? 10 GX系列非常適合ASIC原型設(shè)計和系統(tǒng)仿真。

現(xiàn)在，你可以通過Stratix?10 GX FPGA開發(fā)套件深入了解這個系列的FPGA產(chǎn)品，開發(fā)套件在貿(mào)澤電子上的制造商編號為DK-DEV-1SGX-L-A。

下方圖8是Stratix?10 GX FPGA開發(fā)套件的系統(tǒng)框圖，能夠看出該開發(fā)套件圍繞核心——Stratix? 10 GX FPGA打造了一個非常完整的開發(fā)環(huán)境。豐富的接口資源包括PCIe x16邊緣連接器、串行數(shù)字接口（SDI）通道和FMC低引腳數(shù)（LPC + 15收發(fā)器）連接器等，可直接用于開發(fā)和測試PCIe 3.0設(shè)計以及由DDR4、DDR3、QDR IV和RLDRAM III存儲器組成的存儲器子系統(tǒng)。

圖8：Stratix?10 GX FPGA開發(fā)套件的系統(tǒng)框圖（圖源：Intel）

在支持工具方面，Quartus Prime Pro軟件是Stratix?10 GX FPGA開發(fā)套件的一大亮點(diǎn)，提供設(shè)計和開發(fā)Intel FPGA、SoC和CPLD所需的一切，從設(shè)計輸入和綜合到優(yōu)化、驗證和仿真。其中，Quartus Prime Pro Edition主要用于FPGA應(yīng)用。

讓原型驗證更高效

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的共識是FPGA是一個門檻相對較高的領(lǐng)域，當(dāng)用于ASIC和SoC的原型驗證和系統(tǒng)仿真時更是如此。而貿(mào)澤電子銷售的開發(fā)套件無疑幫助降低了這一門檻，提供了解和進(jìn)一步開發(fā)FPGA相關(guān)應(yīng)用所需的完整軟硬件配套，讓工程師朋友享受來自可編程的無限樂趣。

審核編輯：郭婷