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當前，智能手機AP（應用處理器）的迭代周期已經(jīng)縮短到每年一次。事實(shí)上現在消費電子很多SoC（片上系統）都是每年更新一代產(chǎn)品，甚至是一些定制性的ASIC（專(zhuān)用集成電路）也在以12-18個(gè)月的周期進(jìn)行升級。與此同時(shí)，隨著(zhù)芯片制造工藝越來(lái)越先進(jìn)，芯片設計的復雜度呈指數級增長(cháng)。這種近乎矛盾的發(fā)展趨勢讓芯片設計公司面臨著(zhù)巨大的創(chuàng )新壓力，同時(shí)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(yíng)風(fēng)險。 在這樣的大背景下，芯片設計公司對基于FPGA的原型驗證更加重視，越來(lái)越多的芯片選擇用FPGA進(jìn)行設計評估，包括功能驗證和時(shí)序驗證等，以確保所設計的芯片和需求相匹配，應對資金和時(shí)間帶來(lái)的巨大挑戰。本文將為大家介紹FPGA原型驗證的魅力，以及貿澤電子在售的極具市場(chǎng)競爭力的FPGA產(chǎn)品和相關(guān)的開(kāi)發(fā)套件。 FPGA原型驗證的魅力 FPGA是一種應用廣泛的芯片，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(lái)進(jìn)行芯片原型驗證，在A(yíng)SIC、ASSP（專(zhuān)用標準產(chǎn)品）和SoC等從設計到制造的過(guò)程中也已經(jīng)是不可或缺。 隨著(zhù)制造工藝進(jìn)入7nm、5nm，甚至是更先進(jìn)的3nm、2nm，成功設計一顆芯片要考慮的因素越來(lái)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(shí)的應用場(chǎng)景，提升開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本。從具體的執行步驟來(lái)看，基于FPGA的原型驗證主要包括FPGA選型、定制或者購買(mǎi)原型板、芯片轉FPGA、調試啟動(dòng)FPGA原型、軟硬件協(xié)同驗證、現場(chǎng)認證等。確實(shí)，鑒于芯片的復雜度與日俱增，原型認證不僅會(huì )驗證芯片的基本功能，同時(shí)也會(huì )在現實(shí)的使用環(huán)境中做更完善的認證保障。 當前，FPGA已經(jīng)被用于驗證相對成熟的RTL。從芯片設計角度來(lái)劃分，主要會(huì )包括RTL0、RTL1、RTL2、RTL3、GLS、TO六大環(huán)節，所涵蓋的驗證內容包括芯片定義、子模塊實(shí)現、系統實(shí)現、門(mén)級表驗證。當所有這些環(huán)節都沒(méi)有問(wèn)題的時(shí)候，最終環(huán)節就是TO流片，芯片開(kāi)始進(jìn)入到制造量產(chǎn)環(huán)節。 無(wú)論是FPGA角度還是RTL角度來(lái)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FPGA已經(jīng)不足以驗證先進(jìn)制程上面的芯片，但方案商通過(guò)創(chuàng )新方案能夠將多個(gè)FPGA芯片組合成一個(gè)硬件系統，并克服了子模塊信號傳輸大于FPGA自身I/O接口數的問(wèn)題。這依然是一個(gè)近乎精確的以高速運行的芯片復制品，且極具性?xún)r(jià)比。 在軟硬件協(xié)同環(huán)節，目前采用FPGA做系統驗證具有不可替代性。FPGA的可編程特性帶來(lái)了極高的可操作性，讓軟硬件可以并行開(kāi)發(fā)。芯片公司的合作伙伴可以更早地基于FPGA平臺做軟件和應用開(kāi)發(fā)，顯著(zhù)縮短了產(chǎn)品上市的周期。 綜合而言，基于FPGA做原型驗證，可以加快芯片設計速度，幫助設計公司降低流片失敗的風(fēng)險，并通過(guò)軟硬件協(xié)同的特性縮短下游產(chǎn)品的上市周期。隨著(zhù)芯片制造工藝越來(lái)越先進(jìn)，這種優(yōu)勢會(huì )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、DSP性能以及I/O帶寬等。 貿澤電子在售的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(gè)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200萬(wàn)邏輯單元 · 6.8B個(gè)晶體管 · 多達96個(gè)高級串行收發(fā)器 · 68Mb的塊RAM · 3600個(gè)DSP模塊 · 5335 GMAC/s的DSP · 1200個(gè)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(shí)，數以千計的SLL（Super Long Line）連接資源和跨越SLR的超高性能時(shí)鐘線(xiàn)路，使得Virtex-7系列FPGA在高容量FPGA中具有領(lǐng)先同時(shí)代產(chǎn)品的絕對實(shí)力。 原型設計與驗證是Virtex-7系列FPGA的典型應用。該系列產(chǎn)品在設計之初就考慮到了SoC原型設計，能夠實(shí)現高級調試、仿真加速和交互式設計微調。同時(shí)設計者借助Xilinx Vivado設計套件，還可協(xié)同優(yōu)化設計流程，進(jìn)一步降低成本和流片風(fēng)險，并提高設計效率，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(dòng)了，但單純憑借器件參數有些工程師朋友還把握不準該系列FPGA的性能表現。不要擔心，大家可以通過(guò)貿澤電子在售的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是該套件的系統框圖，用戶(hù)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(kāi)發(fā)、設計工具、IP和預驗證參考設計。
圖2：Virtex-7 FPGA VC7215特性描述套件系統框圖（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，能夠加速設計收斂。如下圖3所示，這套軟件能帶來(lái)平均10%、高達50%的突破性結果質(zhì)量（QoR）提升。另外，這套軟件提供的協(xié)同設計環(huán)境是業(yè)界首個(gè)采用模塊化設計的圖形化IP流程，能夠借助團隊的設計助力提升生產(chǎn)力，高級DFX功能則能帶來(lái)5倍平均編譯時(shí)間減少。
圖3：QoR提升效果（圖源：Xilinx） Virtex-7 FPGA VC7215特性描述套件上面的BullsEye連接器帶來(lái)了強大的擴展能力，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備。每一個(gè)BullsEye連接器均可處理1個(gè)完整的GTH Quad、4個(gè)發(fā)送/接收對以及2個(gè)獨立的參考時(shí)鐘，從而能夠以極靈活的方式測試定制應用。 當然，隨著(zhù)芯片制造工藝的精進(jìn)與需求復雜度的提升，部分ASIC和SoC原型設計與驗證需要更大型的FPGA平臺。而Xilinx UltraScale架構無(wú)疑提供了功能更強大的解決方案，包括高邏輯容量、超過(guò)90%的器件利用率、堪比ASIC的時(shí)鐘、增強型布線(xiàn)和面向引腳多路復用的高速收發(fā)器簡(jiǎn)化設計分區。 UltraScale架構下的FPGA無(wú)疑是為了復現更復雜的ASIC和SoC功能，能夠大幅提升復雜原型設計的靈活性。而要深入了解這些領(lǐng)先的器件，可以借助貿澤電子在售的FPGA評估套件。 比如Xilinx VCU108評估套件便是用于開(kāi)發(fā)和評估Xilinx UltraScale XCVU095-2FFVA2104E器件，制造商編號為EK-U1-VCU108-G。通過(guò)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的通用功能，包括DDR4和RLD3組件存儲器、一個(gè)高清多媒體接口（HDMI）、一個(gè)四通道小型可插拔（QSFP+）連接器、一個(gè)八通道PCI Express接口、一個(gè)以太網(wǎng)PHY、通用I/O和兩個(gè)UART接口。
圖4：VCU108評估板布局圖（圖源：Xilinx） 作為系統核心，XCVU095-2FFVA2104E這款FPGA提供了117.6萬(wàn)個(gè)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(gè)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據流和數據包處理的原型設計系統（比如400+Gbps系統、大規模仿真和高性能計算）提供一個(gè)出色的平臺。
圖5：VCU108評估板I/Obank分布（圖源：Xilinx） 復雜系統下的成本效益 開(kāi)發(fā)套件給了我們一個(gè)快速了解器件的捷徑，通過(guò)貿澤電子在售的Intel Cyclone開(kāi)發(fā)工具便可以評估Intel Cyclone FPGA。這款開(kāi)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(kāi)發(fā)工具進(jìn)行再創(chuàng )新，不僅可用于嵌入式視覺(jué)、工廠(chǎng)自動(dòng)化等應用的開(kāi)發(fā)設計，也是概念驗證的理想起點(diǎn)。
圖6：Intel Cyclone開(kāi)發(fā)工具（圖源：Intel） 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(jué)、工廠(chǎng)自動(dòng)化等應用極具性?xún)r(jià)比。同時(shí)，這塊FPGA作為Cyclone V系列產(chǎn)品中配置極高的一款，提供301000個(gè)邏輯單元，嵌入內存高達13.917Mb，加上Intel提供的包括軟件、知識產(chǎn)權（IP）、設計實(shí)例等在內的配套支持，將這款開(kāi)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ASIC和SoC日益復雜的系統，Intel更推薦IC設計人員采用Stratix®10 GX系列，以合理成本實(shí)現高集成度的原型驗證解決方案，可實(shí)現更短的上市周期、更快的驗證速度和更高的系統集成。 在基礎性能方面，Intel Stratix®10 GX系列可提供1020萬(wàn)個(gè)邏輯元件、2304個(gè)用戶(hù)I/O引腳、308Mb內存以及高達17.4Gbps的帶寬，如果你的芯片設計更強調收發(fā)器的性能和靈活性，比如以太網(wǎng)相關(guān)應用，Intel Stratix® 10 GX系列在單獨的收發(fā)器塊上配備多達96個(gè)通用收發(fā)器，可提供2666Mbps DDR4外部?jì)却娼涌谛阅�。這樣領(lǐng)先的配置再加上Intel提供的豐富的用戶(hù)指南，無(wú)疑讓Stratix® 10 GX系列非常適合ASIC原型設計和系統仿真。 現在，你可以通過(guò)Stratix®10 GX FPGA開(kāi)發(fā)套件深入了解這個(gè)系列的FPGA產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)套件在貿澤電子上的制造商編號為DK-DEV-1SGX-L-A。
圖7：Stratix®10 GX FPGA開(kāi)發(fā)套件（圖源：Intel） 下方圖8是Stratix®10 GX FPGA開(kāi)發(fā)套件的系統框圖，能夠看出該開(kāi)發(fā)套件圍繞核心——Stratix® 10 GX FPGA打造了一個(gè)非常完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境。豐富的接口資源包括PCIe x16邊緣連接器、串行數字接口（SDI）通道和FMC低引腳數（LPC + 15收發(fā)器）連接器等，可直接用于開(kāi)發(fā)和測試PCIe 3.0設計以及由DDR4、DDR3、QDR IV和RLDRAM III存儲器組成的存儲器子系統。
圖8：Stratix®10 GX FPGA開(kāi)發(fā)套件的系統框圖（圖源：Intel） 在支持工具方面，Quartus Prime Pro軟件是Stratix®10 GX FPGA開(kāi)發(fā)套件的一大亮點(diǎn)，提供設計和開(kāi)發(fā)Intel FPGA、SoC和CPLD所需的一切，從設計輸入和綜合到優(yōu)化、驗證和仿真。其中，Quartus Prime Pro Edition主要用于FPGA應用。 讓原型驗證更高效 半導體產(chǎn)業(yè)的共識是FPGA是一個(gè)門(mén)檻相對較高的領(lǐng)域，當用于A(yíng)SIC和SoC的原型驗證和系統仿真時(shí)更是如此。而貿澤電子銷(xiāo)售的開(kāi)發(fā)套件無(wú)疑幫助降低了這一門(mén)檻，提供了解和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)FPGA相關(guān)應用所需的完整軟硬件配套，讓工程師朋友享受來(lái)自可編程的無(wú)限樂(lè )趣。 來(lái)源：貿澤電子 作者：Doctor M |
