FPGA开发板vs原型验证系统

FPGA开发圈 2022-04-28 11:01

【TI资料】专为高压系统设计的新型MCU 构建AI未来，Arm计算平台无处不在

作者：杨一峰，芯华章科技技术市场经理

文章发布于《中国集成电路》，由国家工业和信息化部主管，中国半导体行业协会主办的官方专业期刊。

在阅读本文之前，读者可以对FPGA芯片的基本含义及原理做基本的了解。FPGA 的全称为Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列），属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑阵列。FPGA 的基本结构包括可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、数字时钟管理模块、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、内嵌专用硬核，以及底层内嵌功能单元。

图1 某FPGA的基本逻辑单元

市售常见的基于FPGA的平台产品包括FPGA开发板、FPGA原型验证系统。既然他们同样都是基于FPGA芯片设计的，为什么规模、功能、成本和价格上有非常大的差异？这要从它们应用场景和设计目标的区别说起：

FPGA开发板：

FPGA开发板的主要场景是“开发基于独立FPGA芯片的IP或应用系统”，其设计目标是精简化、高性能、低成本，并自带合适的外设接口，对调试功能的要求限于在单颗FPGA上用原厂软件调试。

因此其搭载的FPGA芯片通常的容量为小到中等规模，实际应用中，往往用于进行中小规模、特定协议功能芯片的开发，比如涉及以太网、MIPI、NVME/M.2 SSD控制、UART/I2C 控制、HDMI/DVI显示控制等。也有直接把一块FPGA开发板放在一个大型系统之中，起到控制板的作用，这样用户可以灵活地对控制信号做各种调整。也有一些应用场景计算算法用较大容量的FPGA实现，达到高性能和算法灵活性的应用目标。同时，由于中低端的开发板售价适中，FPGA开发板也适合初学者进行学习使用。

其次，部分FPGA开发板也被用在IP和小型芯片设计的开发验证场景。这部分开发板配备大容量的FPGA芯片，甚至是单板配备多片FPGA芯片来适应开发验证场景，一般由用户自己负责手工实现从设计到FPGA功能原型的流程。

FPGA原型验证系统：

FPGA原型验证系统的主要应用场景是“芯片设计过程中搭建软硬件一体的系统验证环境”：一是芯片流片回来前为软件团队提供调试驱动软件的平台，加速芯片上市时间；二是作为芯片仿真验证的一个补充，因为FPGA可以接真实的硬件子卡，跟仿真使用的软件模型有一定差别，有一定机会发现隐蔽的bug ；此外FPGA相对软件仿真以及Emulator速度快，比较适合一些耗时较多的大场景case。故在芯片设计越来越大的情况下，其设计目标是能使用多颗FPGA芯片快速实现高性能的全系统验证原型，并支持该场景下的调试需求。

首先，它搭载的往往是较大容量和多片的FPGA芯片，如Xilinx VU440/VU19P, Intel 的Stratix 10等，那么它就非常适合进行复杂算法、CPU/GPU类型芯片的验证和实现：比如人工智能，多核RISC-V处理器IP等开发环境；如果是SoC芯片或大型IP的开发，那么可以将FPGA系统经过互联扩展容量后，进行验证。

其次，FPGA原型验证系统更重要的目标，是从硬件和软件上支持大型芯片功能原型的各项要求。如低延迟并行IO接口、高带宽Serdes接口、自动化设计分割到多片FPGA并优化性能、多片FPGA的信号调试、原型系统规模的任意缩放、各种软硬件接口扩展方案，等等。这些目标决定了原型验证系统需要更专门的设计，特别是配套的自动化工具，因为对两三片FPGA以上的中大型设计，手工实现设计分割和优化的投入太大，设计团队更需要自动化工具。

区分了FPGA开发板和FPGA 原型验证系统平台的应用场景和设计目标，我们就明白它们为什么会有如此大的差异，本质上就是基于设计目标的功能取舍。下面我们分别介绍一下这2种产品和它们的关键点：

FPGA开发板

我们就先从FPGA开发板说起。为了实现基于FPGA芯片的开发、测试、应用，我们需要再为它加上一系列的外围电路及元件，这样FPGA才能够正常地上电、配置、加载运行程序、提供相应的外设接口及长时间保持稳定的工作状态。以目前最简单的实现方式来看，这就是FPGA开发板。前文提到它的主要场景是为FPGA芯片的直接应用而做开发，因此这类产品的设计重点也在于尽量接近目标应用系统。

图2 Xilinx公司出品的Zynq系列FPGA开发板

首先，从外观上看，单颗FPGA开发板尺寸可以做到很小，通常不会超过一张A4纸的大小，方便摆放和移动。上面布局FPGA 主芯片、电源处理芯片、外部接口部件、电容电阻等分立元件。Xilinx、Intel、Lattice等FPGA原厂都推出过各种各样的开发板。其中不光有传统范畴的FPGA功能开发板，也有采取ARM核 + FPGA架构的SoC解决方案，如Xilinx Zynq、Intel Arria10等等。ARM接口资源丰富、功耗低，擅长进行多媒体显示、逻辑控制；而FPGA擅长进行多通道或高速AD采集、接口拓展，以及高速信号传输等。两者相互结合，可满足各种工业现场应用场景。

其次，从硬件架构上，因为一般自带了很多常用外设接口，而且以单颗芯片的应用为主，所以FPGA开发板对互联和扩展的要求不高，有时会在板上有多颗FPGA芯片互连，但通常不考虑多板之间的高速连接需求，毕竟太大规模的逻辑设计要用到多颗FPGA，运行性能和调试能力会受很大影响。

在软件方面，用户主要依靠FPGA厂商提供的一体化软件(如Xilinx公司的Vivado，Intel公司的Quartus，Lattice公司的Diamond等)来实现FPGA工程的综合及布局布线。当然，也有一些实力技术雄厚的第三方厂商提供了不错的综合工具（如Synplify, Precision等），先由设计源代码得到网表，再交由原厂软件进行布局布线。但以上这些工具都不支持多片FPGA场景，因此FPGA开发板用于超过单片FPGA容量的芯片设计或IP验证时，都只能由用户自己手工做设计分割，这需要解决很多时钟、资源、性能、调试的问题，对工程师要求高，投入时间多。

从市面上的FPGA开发板销售情况来看，目前一些国产厂商占有的份额也很高。他们提供的开发板往往配置了中低端的FPGA芯片（包括有国产及进口的），并自行设计/制造PCB板。配套丰富的学习资料，同时在板上集成了常用的接口模块，如Flash、HDMI、DDR4，PCIe等；加之这些开发板的售价并不昂贵，一般从几百元到几千元人民币不等，适合大专院校和自学的人群购买使用。

FPGA原型平台

随着目前集成电路的不断发展，设计规模的大型化，单颗FPGA板在容量上就显得捉襟见肘，已经无法满足设计需求。首先，以目前国内头部的CPU、GPU设计公司的设计规模，单颗IC芯片的设计体量，需要占用到几十颗Xilinx VU440级别FPGA的情况，已屡见不鲜。

在这种背景之下，FPGA系统供应厂商开始着手研究多颗FPGA的系统解决方案。其中就包括在单块的PCB板上装配多颗FPGA及多个FPGA系统之间进行互联。

经过一段时间的发展和探索，FPGA原型验证平台产品应运而生。之所以经常称之为“平台”或“系统”，首先在硬件结构上比单板形式的FPGA开发板复杂很多，其次FPGA芯片厂商提供的软件工具无法支持这么复杂的多片FPGA实现，需要配套专业的FPGA原型实现相关软件工具。

一套优秀的FPGA原型验证系统，应该具有以下产品特性：

基于模块化的设计/可伸缩的验证平台规模
在保证一定的高速仿真性能的前提下提供验证完整性
提供从软件早期开发到系统级验证的解决方案
提供从综合、自动模块分割、布局布线、FPGA bit产生、下载，以及在线/离线Debug的整套流程
提供丰富的调测手段，帮助用户快速定位问题，易于Bring Up
提供丰富的接口子板和外部真实设备相连
提供软件接口与外部软件通讯
提供丰富的IO接口，以及高速Serdes接口用于partition互连以及外设子卡的互连

如本文开头所述，复杂算法、CPU/GPU类型芯片的验证和实现都是适合在FPGA原型验证系统上进行的。不过，由于芯片规模的日益大型化，单颗的系统往往已经无法容纳下一个大型的IP/SoC了。

这个时候我们需要把多个原型系统进行互联，把分割后的逻辑下载到所有的系统当中，这样来进行整个设计的验证和调试工作。那么以目前的Partition互联技术手段看，主要分为单端IO、差分LVDS IO和高速Serdes IO (如Xilinx的GTH )互联的方式。

Serdes IO互联可以达到很高的带宽（Bandwidth），但根据收发器内部信号宽度和传输协议的不同，加上串并转换和Encoder/Decoder的时间开销，会产生几十到几百ns的额外延迟，可能影响分布于多颗FPGA芯片上的系统原型性能；而单端IO的延迟一般就在ns级别，故其分割后的系统性能会更高，但这对并行单端IO信号连接器的设计提出了很高的要求，目前包括Synopsys以及芯华章少数FPGA原型平台能够达到1.4Gbps的较高速率。

在实际原型系统的核心设计分割中，单端IO连接器用得更多一些，在连接独立的高速外设和接口时，Serdes高速连接器用得更多一些。这类高速互联接口及其线缆的成本都很高，但对于原型系统的设计目的来说是必须的，这也是为什么FPGA原型系统的价格要远远高于FPGA开发板的原因之一。

说完了硬件方面，再看软件方面，如果用到了多颗的FPGA系统，那么对于大设计的分割问题变得十分重要。对于一个大设计，软件可以自动或者手动的把逻辑分割到几片FPGA当中，根据连线资源情况插入TDM（时分复用）的IP，再对分割后的逻辑进行时序优化；软件能够保留顶层的端口信号名称。从调试方面考虑，需要探及设计的内部的信号。

随着设计规模增大，除了软件运行速度之外，综合阶段进行Timing Driven Synthesis优化的动作，以实现冗余逻辑的优化和时序上的提升，因此软件的算法优化显得十分重要。从性能指标上看，主要是分割的功能正确性、逻辑和时序的优化度及Timing-driven减少hop提升编译性能。利用分布式技术，减少设计规模对CPU时间和内存造成的影响。

目前，各大原型验证平台供应商都在软件上加大了投入。一款拥有出色的FPGA原型软件工具应具备以下的特点：

综合时进行专门的时序驱动优化
综合阶段充分利用并行化手段降低设计规模对综合时间造成的影响，尽量优化网表的时序和面积
算法优化、能够实现大数量的FPGA自动分割且配置简便综合工具与分割工具配合保留内部信号名称，并与综合工具配合映射信号名称，支持RTL源代码调试
自动产生时钟并处理时钟的分割，对于数片至数十片FPGA的大型设计实现很重要
最大程度保留原来代码设计层次，提高增量编译度和可调试性，分割前后功能保持一致
服务器软件时内存资源控制得当
保证分割结果正确的情况下，耗时短

这样的配套软件，能够一体化地完成综合及分割步骤，将为整个原型验证系统大大加分。随着设计规模的日益增长，用户对软件的综合/分割功能十分注重；软件功能出色，无疑能对硬件系统的销售产生极大的促进；反之，硬件系统做的很大，软件的功能跟不上，甚至要依赖外部的综合或分割工具，无疑为整套系统拖了后腿，无法实现上述的关键功能。

总结

综上所述，我们再来看一下FPGA开发板、FPGA原型验证系统之间的对比表格：