電子設(shè)計(jì)自動化—— Electronic Design Automation，簡稱EDA。作為芯片設(shè)計(jì)最上游，EDA軟件的工作，是要在芯片那么小的空間進(jìn)行布局布線、版圖、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查等，好比在米粒上刻出航空母艦?zāi)Ｐ汀?

在EDA問世之前，設(shè)計(jì)人員必須通過手工完成電路設(shè)計(jì)和布線等基礎(chǔ)工作。隨著芯片集成度提高和性能的多元化，令芯片設(shè)計(jì)要求也變得越來越復(fù)雜，一個(gè)指甲蓋大小的芯片上要集成數(shù)百億顆晶體管，這樣細(xì)微且宏大的工程，早已不是單純?nèi)肆Ψ秶芨采w，EDA的重要性不言而喻。

根據(jù)應(yīng)用場景的不同，EDA工具的使用主要分為設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造三大類。大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜性的提升，使芯片驗(yàn)證面臨資金與時(shí)間的巨大挑戰(zhàn)。早期開發(fā)者想驗(yàn)證芯片的設(shè)計(jì)是否符合預(yù)設(shè)，只有等待極其漫長的模擬結(jié)果，或是等待流片成果，而一旦結(jié)果不如預(yù)期，不管是再次模擬或是二次流片，都將產(chǎn)生極高的成本。因此，當(dāng)Xilinx推出現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）時(shí)，開發(fā)者即可通過用FPGA板拼湊出有效的流程來對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，F(xiàn)PGA原型驗(yàn)證這一解決方案就此應(yīng)運(yùn)而生，這一比流片便宜、比仿真要快的方式，已成為開發(fā)者檢驗(yàn)設(shè)計(jì)有效性的不二選擇。

01基于FPGA的物理原型驗(yàn)證

就像是建筑師設(shè)計(jì)完樓房、開始建造前，需要通過模型去測試防震、防風(fēng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等各種參數(shù)，芯片和系統(tǒng)開發(fā)者也需要在流片前對設(shè)計(jì)進(jìn)行“原型驗(yàn)證”——就是模仿真實(shí)軟件應(yīng)用條件下的芯片和系統(tǒng)表現(xiàn)是否滿足了實(shí)際應(yīng)用場景要求。

FPGA的應(yīng)用范圍廣泛，通信、計(jì)算、控制等領(lǐng)域等都有它的建樹，并且由于其具有內(nèi)部電路可重構(gòu)的特點(diǎn)，幾乎可以完全映射芯片的邏輯設(shè)計(jì)，也被當(dāng)作一種性價(jià)比優(yōu)越的芯片驗(yàn)證基礎(chǔ)設(shè)施。FPGA原型驗(yàn)證已是當(dāng)前原型驗(yàn)證的主流且成熟的芯片驗(yàn)證方法——它通過將RTL移植到現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來驗(yàn)證ASIC的功能，并在芯片的基本功能驗(yàn)證通過后就可以開始驅(qū)動的開發(fā)，一直到芯片Tape Out并回片后都可以進(jìn)行驅(qū)動和應(yīng)用的開發(fā)。當(dāng)芯片回片后，應(yīng)用程序可以直接基于FPGA版本的驅(qū)動來進(jìn)行簡單的適配，即可以應(yīng)用到SoC芯片上，將SoC芯片Time-to-Market的時(shí)間控制的很完美。除了可以提前進(jìn)行軟件開發(fā)外，從成本上來說，F(xiàn)PGA原型驗(yàn)證是一個(gè)性價(jià)比很高的驗(yàn)證手段，在價(jià)格上可以說非常的親民。更重要的FPGA原型在運(yùn)行速度上也技高一籌：它在速度上當(dāng)然比EDA驗(yàn)證高了好幾個(gè)數(shù)量級，即使是與Emulator相比，其性能上也有碾壓式的優(yōu)勢。在這種種優(yōu)勢中，“流片前的軟硬件協(xié)同開發(fā)”是FPGA物理原型驗(yàn)證最不可替代之處，提早基于該技術(shù)平臺進(jìn)行軟件驅(qū)動開發(fā)和應(yīng)用開發(fā)，對于縮短最終芯片Time-to-Market周期意義重大。

在軟硬件深度定制化、要求芯片到應(yīng)用的一站式交付的今天，F(xiàn)PGA原型平臺的重要性進(jìn)一步提升。2000年，一家創(chuàng)立于瑞典的公司Hardi Electronics正式推出一款基于FPGA的原型系統(tǒng)HAPS，HAPS可以通過多種方式快速組裝ASIC原型系統(tǒng)，為客戶在關(guān)鍵驗(yàn)證階段節(jié)省數(shù)月的時(shí)間。2007年，Synplicity以2400萬美元的金額收購了Hardi，而Synopsys在2008年以2.27億美元收購了Synplicity，HAPS經(jīng)歷幾代人于2014年發(fā)展至HAPS-80，至今仍是業(yè)界最快的原型驗(yàn)證加速平臺。

02物理原型驗(yàn)證工具的

幾大挑戰(zhàn)及解決方案

目前ASIC的設(shè)計(jì)變得越來越大，越來越復(fù)雜，單片F(xiàn)PGA已不能滿足原型驗(yàn)證要求，多片F(xiàn)PGA驗(yàn)證應(yīng)運(yùn)而生。RTL邏輯的分割、多片F(xiàn)PGA之間的互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、I/O分配、高速接口都對應(yīng)用FPGA原型驗(yàn)證的芯片開發(fā)者提出了更高的要求也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。那當(dāng)選擇一款合適的物理原形驗(yàn)證工具時(shí)，應(yīng)該在哪些緯度做重點(diǎn)考量和取舍呢？

1 容量限制和性能要求 對于大型的設(shè)計(jì)（大于2千萬等效ASIC門）,一塊FPGA往往容納不下，此時(shí)必須將多塊FPGA互聯(lián)才能驗(yàn)證整個(gè)設(shè)計(jì)，在這種情況下，就需要對大型的設(shè)計(jì)進(jìn)行Partition即分割。Partition引入了新的問題，而這些問題其實(shí)在芯片中并不存在，很多時(shí)候耗費(fèi)很多人力去實(shí)現(xiàn)一個(gè)可用的Partition方案，僅僅是受限于FPGA的容量而不得已的處理辦法。

Partition引入的最大問題是對I/O的需求激增，雖然FPGA有超過1000個(gè)可用的I/O，但是一個(gè)完整的SoC如果被拆分成規(guī)模相當(dāng)?shù)膸讉€(gè)部分時(shí)，每個(gè)部分之間的互聯(lián)信號數(shù)量往往會遠(yuǎn)超1000個(gè)，所以在I/O數(shù)量受限時(shí)，必須采用TDM（Time Division Multiplex），即FPGA內(nèi)部的多個(gè)并行信號轉(zhuǎn)為高速串行信號，通過FPGA I/O傳輸?shù)搅硪粔KFPGA，然后再進(jìn)行解復(fù)用，轉(zhuǎn)換成并行信號，實(shí)現(xiàn)信號從一個(gè)FPGA到另一塊FPGA的傳遞。引入了TDM雖然解決了I/O瓶頸，但是Mux和De-Mux引入了額外的延時(shí)，導(dǎo)致Cross-FPGA的Path成為Critical Path，進(jìn)一步降低了FPGA的可運(yùn)行頻率，可以說Partition是不得已而為之的方案，最終的結(jié)果只是得到一個(gè)可用的方案而非理想的方案。

另一個(gè)方面，由于在SoC原型驗(yàn)證中模塊常常會增減，導(dǎo)致需要頻繁的改動Partition方案，如果手動去處理，則需要花費(fèi)很多精力才能得到一個(gè)上文提到可用但折中的方案。此外，處理大量的Cross-FPGA信號非常容易出錯(cuò)，所以對于大型的SoC FPGA原型驗(yàn)證，必須采用自動化的工具去完成Partition，這對EDA工具而言亦是全新的挑戰(zhàn)。

新思科技HAPS原型驗(yàn)證解決方案，具有獨(dú)一無二的自動可干預(yù)分割功能，同時(shí)提供了系統(tǒng)級跨FPGA的時(shí)序分析工具，為HSTDM IP, 纜線和I/O提供時(shí)序模型，可以方便地處理TDM路徑上的多個(gè)約束，為多FPGA的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化且可靠的時(shí)序，保證了平臺的高速性能和穩(wěn)定性。

2 迭代速度

由于SoC芯片的設(shè)計(jì)頻率很高，為了讓原型驗(yàn)證平臺盡可能和SoC芯片性能接近，開發(fā)者期望讓FPGA原型平臺運(yùn)行在盡可能高的頻率上，但是由于SoC的RTL代碼是為芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，大量深層次組合邏輯的存在（這樣可以節(jié)省芯片面積），導(dǎo)致了SoC RTL代碼在FPGA上實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)序收斂困難，往往只能達(dá)到幾MHz。對于大型的SoC，內(nèi)部的CPU/GPU/CODEC/NPU等計(jì)算和編解碼模塊邏輯復(fù)雜，往往成為整個(gè)設(shè)計(jì)的Timing Wall，導(dǎo)致時(shí)序優(yōu)化過程會占據(jù)FPGA Implementation過程30-40%的時(shí)間。

基于新思科技HAPS原型驗(yàn)證解決方案，在對設(shè)計(jì)進(jìn)行分割和時(shí)序優(yōu)化的同時(shí)，也充分考慮到后續(xù)FPGA布局布線的挑戰(zhàn)，在綜合時(shí)，HAPS采用獨(dú)特的技術(shù)，增強(qiáng)和優(yōu)化單FPGA的綜合結(jié)果，可以有效的減少后期Vivado布局布線的時(shí)間，并結(jié)合多核多進(jìn)程綜合等技術(shù)，有效減少各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間，加快迭代速度。

3 接口方案

外部子板和FPGA I/O之間的高速同步接口一直以來都是FPGA的痛點(diǎn)和難點(diǎn)：一方面，相比于ASIC，F(xiàn)PGA在I/O時(shí)序方面可以調(diào)整的空間有限，它不能像ASIC一樣可以通過時(shí)序約束來靈活調(diào)整FPGA I/O信號之間的Skew，導(dǎo)致并行信號接口之間的Path Skew很難控制在一個(gè)比較理想的范圍內(nèi)，最終會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣失敗，降低頻率往往是一種有效的辦法，但是有些控制器和PHY之間的接口是需要滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的，不能無限制的降低，對于這種情況有時(shí)只能想盡辦法嘗試修復(fù)時(shí)序，甚至需要修改代碼。

另一方面，原型驗(yàn)證使用的子板數(shù)量不大，市場上往往沒有銷售，很多時(shí)候需要自行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步給調(diào)試帶來了不確定性，也延長了調(diào)試周期。高速接口的調(diào)試往往消耗了大量的人力資源，很多時(shí)候都是靠調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)和靈感解決問題，這么做不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效果不佳。

新思科技HAPS原型驗(yàn)證解決方案，給用戶提供了多種靈活的接口方案，包含豐富的外部子卡集合，降速橋方案；還和業(yè)界伙伴通過HAPS Connect Program，為使用者提供了更廣泛的擴(kuò)展空間。

4 可觀測性 FPGA也是芯片產(chǎn)品，所以內(nèi)部的信號無法直接觀測。通常需要借助于FPGA的Debug工具在生成Bit文件前選取要觀察的信號。當(dāng)Bit文件加載運(yùn)行時(shí)，必須通過配套的Debug工具觀察指定的信號波形，但是受限于Block RAM的容量以及信號優(yōu)化等原因，如此調(diào)試的效率比較低。

新思科技HAPS原型驗(yàn)證平臺提供了多種靈活的調(diào)試手段。DTD(深度跟蹤調(diào)試)功能，為用戶提供了多FPGA實(shí)時(shí)速度的RTL級別信號聯(lián)合波形調(diào)試，可以觀測上千信號秒級的波形，進(jìn)一步結(jié)合Verdi/Siloti的關(guān)鍵信號提取功能，可顯著的擴(kuò)大信號觀測的范圍。GSV是另外一個(gè)被用戶廣泛采用的調(diào)試功能，它可以提供設(shè)計(jì)內(nèi)部所有寄存器的快照，在多種實(shí)際調(diào)試場景有效的幫助軟硬件團(tuán)隊(duì)分析定位系統(tǒng)問題。

5 產(chǎn)品的成熟度

原型驗(yàn)證是一項(xiàng)壁壘頗高的技術(shù)，串聯(lián)著芯片設(shè)計(jì)和最終應(yīng)用，需要極強(qiáng)的適用性和靈活度來適應(yīng)發(fā)展迅速和多樣性的芯片研發(fā)，通過和一線芯片研發(fā)人員的通力合作，打造使用生態(tài)圈，不斷進(jìn)化和迭代技術(shù)才能始終幫助芯片開發(fā)者實(shí)現(xiàn)“Shift-Left”研發(fā)，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

新思科技自2003年起推出第一款原型驗(yàn)證產(chǎn)品HAPS-10起，持續(xù)推出7代產(chǎn)品，久經(jīng)市場檢驗(yàn)， 并為滿足不斷演進(jìn)的原型驗(yàn)證需求，補(bǔ)充了諸多獨(dú)一無二的產(chǎn)品功能，如UMRBus, Hybrid原型驗(yàn)證，基于UPF的低功耗系統(tǒng)驗(yàn)證, HAPS GateWay等，是加快軟件開發(fā)和芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證的最佳解決方案。全球200多家公司都已經(jīng)部署了最新一代HAPS-80,包括前十大半導(dǎo)體公司中的九家，其出貨量在今年超過3000臺。

國內(nèi)目前也有逾50家芯片設(shè)計(jì)企業(yè)部署了HAPS平臺，進(jìn)一步驗(yàn)證了HAPS原型驗(yàn)證的市場領(lǐng)先地位。

各類FPGA原型驗(yàn)證平臺技術(shù)對比

目前市面上常見的FPGA原型驗(yàn)證平臺可以分為兩大類別，一類是芯片設(shè)計(jì)公司自己制作的FPGA板(Build Your Own, 以下簡稱BYO); 另一類是商用FPGA平臺，比如新思科技的HAPS方案。

就上文提到的一些具體考量點(diǎn)，各類原型驗(yàn)證平臺的對比如下：

顯而易見，新思科技的HAPS方案，在全面性，成熟度，和對大規(guī)模設(shè)計(jì)的支持上，都占有絕對明顯的優(yōu)勢。

03物理原型

驗(yàn)證工具的應(yīng)用不止于芯片

芯片是硬件產(chǎn)業(yè)，也是軟件產(chǎn)業(yè)，同時(shí)涉及下游的應(yīng)用場景還有上游的高精度設(shè)計(jì)。在科技賦能的智能化時(shí)代，芯片不僅支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，在賦能各產(chǎn)業(yè)的作用也不容小覷，從5G，自動駕駛汽車，人工智能等，芯片的應(yīng)用幾乎遍布所有可能想象的電子產(chǎn)品，甚至包括航空航天到軍工技術(shù)的所有方面。隨著人工智能和5G的加速發(fā)展，以及加快數(shù)字化時(shí)代的新基建的開展，未來芯片的應(yīng)用場景會越來越多，定制化芯片的需求也會越來越大。而作為手握未來世界之門鑰匙的開發(fā)者們必須要和系統(tǒng)廠商更緊密的協(xié)作研發(fā)，才能讓芯片技術(shù)創(chuàng)新最終賦能科技應(yīng)用。

以人工智能的人臉識別場景為例，在海量人群中搜索走失兒童需要超強(qiáng)的快速反應(yīng)能力，才能在第一時(shí)間抓住機(jī)會識別并找到目標(biāo)對象，其中軟件支持了人工智能的算法，芯片所提供的超強(qiáng)算力讓復(fù)雜的算法在毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)推斷。物理原型驗(yàn)證讓軟件的開發(fā)和芯片的研發(fā)得以同步進(jìn)行，而不用互相等待。這一技術(shù)將推動芯片和科技應(yīng)用的生態(tài)結(jié)合，讓科技的進(jìn)步進(jìn)入極速模式，加速未來的想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。