專家訪談 | FPGA到底是啥？如何做好FPGA質量控制與測試？

FPGA質量控制與測試

隨著數(shù)字化、智能化裝備的爆發(fā)式發(fā)展，具備更高可靠性、更高集成性的FPGA產(chǎn)品，依靠自身的自定義編程設計、可重復性修訂等特性，成功取代了傳統(tǒng)堆疊化電子元器件設計方式，應用到裝備的設計中去。未來電子信息領域，硬件裝備軟件化設計趨勢已不可逆轉?？梢哉f，只要存在硬件，就必然有FPGA的身影。本期“專家訪談”欄目，邀請廣電計量軟件測試技術副總監(jiān)齊躍，深度解析FPGA質量控制與測試，助力企業(yè)提升FPGA測試效率和設計質量。

齊躍

廣電計量軟件測試技術副總監(jiān)

軟件/FPGA測評從業(yè)經(jīng)歷13年，兩項國家發(fā)明專利授權發(fā)明人，一項軟件著作權著作人。主要從事航空航天、特殊裝備等領域軟件及FPGA第三方及鑒定測評，覆蓋導航定位、雷達、圖像處理、遙控遙測等專業(yè)，具有豐富的FPGA軟件測評工作經(jīng)驗。

FPGA軟件的主要應用領域有哪些？

FPGA，全稱Field-Programmable Gate Array，翻譯成中文即現(xiàn)場可編程門陣列。它是一種主要以數(shù)字電路為主的集成芯片，屬于可編程器件中的一種。FPGA作為ASIC（專用集成電路）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)，具有無限次重新編程的能力，通過對預制的門電路、觸發(fā)器和可編程布線資源重新配置，可以實現(xiàn)任意的邏輯功能，大大提高了集成電路的靈活性，既解決了定制電路缺乏靈活性的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)容量過小的缺點。

因此，F(xiàn)PGA的應用方向非常廣泛，按照應用領域來看，F(xiàn)PGA在高速通信、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、特殊裝備和航空航天等眾多領域都已經(jīng)得到了廣泛的應用。

為什么對FPGA軟件進行測評？

根據(jù)有關單位某產(chǎn)品試驗鑒定工作要求中提出，“FPGA應列入軟件清單進行管理，列入軟件測試要求考核范圍，關鍵或重要FPGA要針對性開展代碼規(guī)則檢查、功能仿真、時序驗證等測試”。所以根據(jù)上述文件要求所有設備中的FPGA軟件都要進行內部測試/第三方測評/鑒定測評。

FPGA軟件測試面臨哪些挑戰(zhàn)？

FPGA軟件包含進行設計而產(chǎn)生的程序、文檔和數(shù)據(jù)，同時包含與之相關的軟件特性和硬件特性。FPGA軟件測試需要考慮軟件代碼正確性、軟硬件接口協(xié)調性、時序性等方面的全面覆蓋。FPGA能夠穩(wěn)定、可靠地工作，不但功能需滿足要求，時序指標、安全性指標等均需滿足要求。

不同的FPGA芯片廠商、不同的運行電壓和溫度情況下，F(xiàn)PGA的時序會有很大不同，經(jīng)常造成FPGA執(zhí)行時出現(xiàn)錯誤。因此，F(xiàn)PGA測試需要在驗證FPGA軟件特性的同時，驗證FPGA芯片硬件特性、電壓與溫度對時序的影響等環(huán)境特性是否滿足要求。因此，F(xiàn)PGA軟件測試包含對FPGA軟件特性、硬件特性及環(huán)境特性全方位的測試。

FPGA軟件測試的內容及流程有哪些？

FPGA開發(fā)流程復雜，從前端設計代碼到最后生成配置位流文件，均有可能引入設計缺陷。因此，在安全關鍵領域，F(xiàn)PGA軟件的獨立測評流程涵蓋由RTL代碼生成位流文件的各關鍵節(jié)點，從不同層次采用多種方法對軟件功能、接口、時序、和性能進行確認。

主要測試方法有：編碼規(guī)則檢查、跨時鐘檢查、功能仿真、門級仿真、時序仿真、功耗分析、邏輯等效性檢查等。測試過程主要包括：

1.首先根據(jù)軟件需求進行測試需求分析，確保測試100%覆蓋軟件需求。

2.針對RTL級代碼進行編碼規(guī)則檢查及功能仿真測試，驗證FPGA前端設計的正確性。

3.針對邏輯綜合后的門級網(wǎng)表文件進行邏輯等效性測試，驗證邏輯綜合的可靠性、一致性。

4.針對布局布線后的布線網(wǎng)表進行靜態(tài)時序分析及時序仿真測試，驗證FPGA后端設計時序路徑是否收斂。

5.針對燒寫下載后的目標設備開展板級實物測試，驗證FPGA整機設備功能實現(xiàn)正確性。

6.使用專業(yè)工具對FPGA前端硬件描述設計與后端時序電路邏輯一致性進行檢查。

如何提高FPGA測試的效率和準確性？

1.采用自動化測試工具：自動化測試工具可以大幅提高測試效率，減少人為誤差。

2.優(yōu)化測試策略：根據(jù)FPGA的具體應用場景和規(guī)格要求，制定針對性的測試策略，以提高測試的有效性和準確性。

3.強化在板測試：在板測試可以更好地模擬實際工作情況，有助于發(fā)現(xiàn)潛在問題。

4.強化可靠性評估：通過改進加速老化試驗方法、引入更多實際工作場景下的應力因子等方式，提高可靠性評估的準確性。

5.強化仿真測試：采用更精確的仿真模型和更全面的場景覆蓋，提高仿真測試的有效性。

如何提高FPGA軟件設計質量和可靠性？

FPGA質量提升是一個涵蓋設計、驗證、實施和測試全過程的系統(tǒng)工程，下面將詳細介紹幾個關鍵環(huán)節(jié)：

1. 設計階段的質量保證

模塊化設計：采用模塊化的設計方法有助于提高代碼可讀性與重用性，并簡化后期維護。每個模塊應有明確的功能定義，遵循良好的設計原則。

資源優(yōu)化：根據(jù)具體應用需求合理分配邏輯資源、內存資源以及布線資源，通過算法優(yōu)化和架構選擇來降低功耗并提升性能。

RTL設計規(guī)范：遵循行業(yè)標準和最佳實踐編寫HDL代碼，確保代碼風格一致且易于綜合工具理解，避免潛在的時序問題。

2. 驗證流程強化

功能仿真：在早期階段進行詳盡的功能仿真驗證，確保設計滿足規(guī)格要求，并覆蓋所有可能的狀態(tài)和邊界條件。

形式驗證：利用形式化方法驗證設計正確性，包括等價檢查、屬性檢查及模型檢查，以減少因傳統(tǒng)仿真遺漏而引入的問題。

靜態(tài)時序分析（STA）：在布局布線后執(zhí)行嚴格的STA，確保設計達到指定的時序約束，防止由于時鐘偏斜、延時不匹配導致的功能失效。

3. 增強可靠性設計

冗余技術：使用三模冗余（TMR）、糾錯碼（ECC）或其他容錯機制，提高系統(tǒng)的抗錯誤能力。

內建自測試（BIST）：集成自測試電路，能夠在運行過程中檢測硬件故障，增強產(chǎn)品的現(xiàn)場可靠性。

軟錯誤防護：針對輻射效應和其他非永久性故障，采用適當?shù)能涘e誤率（SER）防護策略。

4. 硬件實現(xiàn)與簽核

綜合與優(yōu)化：選擇高性能的綜合工具，并對其進行參數(shù)調整以獲得最優(yōu)布局布線結果，同時考慮資源利用率、速度和功率。

物理設計簽核：對完成布局布線后的設計進行全面的物理設計簽核，包括DRC（設計規(guī)則檢查）、LVS（Layout Versus Schematic），確保設計符合工藝要求。

綜上所述，提升FPGA設計質量涉及諸多方面，需要在整個開發(fā)周期中結合先進的設計理念、嚴謹?shù)尿炞C手段和科學的測試方法，才能最終打造出高可靠性的FPGA產(chǎn)品。

廣電計量具備哪些FPGA測試服務經(jīng)驗？

廣電計量FPGA測試團隊具有全面的裝備軟件測試資質，目前承接的項目包括商飛C919、載人航天、特殊裝備等領域數(shù)十項FPGA軟件測試項目，任務涵蓋了第三方驗收測試、內部測試、鑒定測試/定型測試，測試級別覆蓋單元測試、配置項測試和系統(tǒng)測試。