一文詳解各類(lèi)原型驗(yàn)證

幾十年來(lái)，數(shù)字芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度不斷攀升，使芯片驗(yàn)證面臨資金與時(shí)間的巨大挑戰(zhàn)。在早期，開(kāi)發(fā)者為了驗(yàn)證芯片設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期目標(biāo)，不得不依賴于耗時(shí)的仿真結(jié)果或是等待實(shí)際芯片生產(chǎn)（流片）的成果。無(wú)論是進(jìn)行多次仿真模擬還是面臨流片失敗，都意味著巨大的時(shí)間和金錢(qián)成本。

隨著EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）驗(yàn)證工具的重要性日益增加，開(kāi)發(fā)者開(kāi)始尋求減少流片成本和縮短開(kāi)發(fā)周期的方法。其中，使用可編程邏輯芯片（FPGA）來(lái)構(gòu)建有效的驗(yàn)證流程成為一種流行的解決方案。這種方法便是原型驗(yàn)證。它不僅比傳統(tǒng)流片便宜，而且比仿真更快，已成為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)有效性的首選方式。

特別是在基本功能驗(yàn)證通過(guò)后，通過(guò)原型驗(yàn)證就可以提前開(kāi)始驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)，不用等待芯片流片（Tape Out）后的結(jié)果。當(dāng)芯片回片后，應(yīng)用程序可以直接基于原型驗(yàn)證版本的驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的適配，以便應(yīng)用于SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）上，這極大地控制了SoC芯片的Time-to-Market時(shí)間。

01

原型驗(yàn)證的分類(lèi)

目前的原型驗(yàn)證主要分三類(lèi)：一類(lèi)是芯片設(shè)計(jì)公司自行制作的FPGA板(Build Your Own, 以下簡(jiǎn)稱?BYO)。一類(lèi)是直接從FPGA制造商，如AMD、Altera等，購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的開(kāi)發(fā)板。還有一類(lèi)是由專(zhuān)業(yè)公司提供的商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)。隨著商用解決方案的崛起，原型驗(yàn)證已普及化，變成芯片設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)重要的一環(huán)。接下來(lái)，我將從容量/適用場(chǎng)景、穩(wěn)定性和性能這幾個(gè)方面，對(duì)這三類(lèi)原型驗(yàn)證進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 ? BYO：

容量/適用場(chǎng)景：BYO主要適用于小、中型設(shè)計(jì)，大型設(shè)計(jì)其容量和靈活性可能受到限制。BYO的優(yōu)勢(shì)在于高度定制化，允許設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)特定需求定制硬件。但這同時(shí)要求團(tuán)隊(duì)具備深厚的電路設(shè)計(jì)和制造能力。

穩(wěn)定性與性能：在芯片設(shè)計(jì)中，使用穩(wěn)定且可靠的驗(yàn)證工具至關(guān)重要。BYO的挑戰(zhàn)在于必須確保設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性，這通常需要通過(guò)反復(fù)的測(cè)試和驗(yàn)證來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于需要依賴于FPGA工程師的專(zhuān)業(yè)水平，穩(wěn)定性可能難以保證，尤其是在大型設(shè)計(jì)中。在性能方面，BYO只會(huì)對(duì)自己關(guān)鍵的部分進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，雖然針對(duì)這些特定場(chǎng)景的深度定制可以實(shí)現(xiàn)高性能，但通常來(lái)說(shuō)，它的綜合性能可能不如商用平臺(tái)。

FPGA開(kāi)發(fā)板：

容量/適用場(chǎng)景：適合小型設(shè)計(jì)、軟核開(kāi)發(fā)、特定協(xié)議開(kāi)發(fā)等。如涉及以太網(wǎng)、MIPI、NVME/M.2 SSD控制、UART/I2C 控制、HDMI/DVI顯示控制等。這些開(kāi)發(fā)板提供了快速原型開(kāi)發(fā)的便利，同時(shí)具有一定的靈活性和適應(yīng)性。

穩(wěn)定性與性能：由于來(lái)源于主流FPGA廠商，這類(lèi)開(kāi)發(fā)板通常具有較好的穩(wěn)定性。它們?cè)谔囟ń涌谙履軌蛱峁└咝阅?，但?duì)于其他I/O支持可能有限。

商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)：

容量/適用場(chǎng)景：適合各種規(guī)模和復(fù)雜度的設(shè)計(jì)。例如思爾芯的Prodigy芯神瞳原型驗(yàn)證解決方案，它提供了廣泛的容量范圍、豐富的產(chǎn)品線、以及高性價(jià)比，在當(dāng)前市場(chǎng)中十分突出，因此備受市場(chǎng)青睞。其單系統(tǒng)可支持單核、雙核、四核、八核，并能進(jìn)行級(jí)聯(lián)多核組網(wǎng)，最大可支持256核，提供了廣泛的容量范圍選擇。對(duì)于小規(guī)模設(shè)計(jì)，芯神瞳支持不同容量的單核，亦可根據(jù)客戶的設(shè)計(jì)容量和接口需求，選擇最具性價(jià)比的解決方案。另外，思爾芯方案同時(shí)支持AMD（Xilinx）和Altera。

穩(wěn)定性與性能：除了三大家和思爾芯，大部分商用系統(tǒng)還未經(jīng)大量市場(chǎng)考驗(yàn)。思爾芯所提供的自主可控的Prodigy芯神瞳原型驗(yàn)證解決方案，其憑借20年的技術(shù)積累和全球600+的客戶基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)早已處于領(lǐng)先地位，久經(jīng)市場(chǎng)考驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多次迭代，在材質(zhì)、架構(gòu)、系統(tǒng)以及高速PCB仿真技術(shù)等方面的不斷優(yōu)化下，大多數(shù)情況下系統(tǒng)都能達(dá)到高性能。

02

原型驗(yàn)證的挑戰(zhàn)及解決方案

隨著芯片設(shè)計(jì)越來(lái)越大，復(fù)雜度越來(lái)越高，商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)已轉(zhuǎn)向使用多顆FPGA芯片，快速實(shí)現(xiàn)全芯片設(shè)計(jì)與高性能的全芯片驗(yàn)證。為了能縮短設(shè)計(jì)周期，加速產(chǎn)品上市，對(duì)于原型驗(yàn)證的選擇，不同的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)有不同的要求與考量。 ? FPGA實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的要求則包括具備足夠的容量和級(jí)聯(lián)功能以避免維護(hù)多個(gè)剪裁版本，自動(dòng)分割功能以減少工作量，以及完善的工具鏈以縮短實(shí)現(xiàn)周期，并減輕團(tuán)隊(duì)負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)需要能夠盡早開(kāi)始在平臺(tái)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，并且希望在平臺(tái)上驗(yàn)證完的軟件能快速移植到實(shí)際芯片上，同時(shí)要求接口方案的多樣性以及有效的軟件調(diào)試和觀測(cè)工具。這些需求共同構(gòu)成了原型驗(yàn)證技術(shù)在當(dāng)前快速發(fā)展下的主要挑戰(zhàn)。 ? 針對(duì)以上這些要求，BYO、FPGA開(kāi)發(fā)板與商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)三者之間又有何差異呢？

? 首先，FPGA實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)所需要的多板級(jí)聯(lián)，是為了在單個(gè)FPGA板無(wú)法提供足夠資源支持大型或復(fù)雜設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)擴(kuò)展資源池實(shí)現(xiàn)更廣泛的系統(tǒng)功能，以模擬更復(fù)雜的系統(tǒng)。這也帶來(lái)了額外的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)，例如復(fù)雜的時(shí)序控制問(wèn)題、保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性和同步的難度、資源分配與管理的復(fù)雜性等，無(wú)論是自制還是商用，都是一大挑戰(zhàn)，在此項(xiàng)技術(shù)點(diǎn)上不斷攻堅(jiān)克難。 ?

BYO：想要實(shí)現(xiàn)多板級(jí)聯(lián)方案是很困難的，很大程度上依賴于FPGA工程師的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。 ?

FPGA開(kāi)發(fā)板：原廠不支持多板級(jí)聯(lián)方案。

? 商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)：多數(shù)廠商的多板級(jí)聯(lián)方案還不夠成熟，且支持的最大規(guī)模有限。國(guó)內(nèi)的思爾芯是為數(shù)不多可以提供成熟的多板級(jí)聯(lián)方案的廠商，客戶端已成功部署百億門(mén)級(jí)系統(tǒng)。 ? 在原型驗(yàn)證中，以減少FPGA實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)工作量和提高準(zhǔn)確性為目標(biāo)，自動(dòng)分割功能、時(shí)分復(fù)用（TDM）、并行編譯、全自動(dòng)編譯和增量編譯等自動(dòng)化軟件的支持，和完善的工具鏈就變得至關(guān)重要。這些全自動(dòng)的軟件使得原型驗(yàn)證的易用性大大提升，但不是所有類(lèi)型的原型驗(yàn)證都具備，有著明顯的差異。 ?

BYO：易用性較低，所有軟件需要自行開(kāi)發(fā)，不支持自動(dòng)分割，僅能手動(dòng)操作。

? FPGA開(kāi)發(fā)板：也不支持自動(dòng)分割，同樣需手動(dòng)操作；其編譯依賴于FPGA原廠提供的功能有限的工具。 ?

商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)：三大家和思爾芯在此方面投入了很久，也經(jīng)過(guò)了充分的市場(chǎng)驗(yàn)證。在這方面，思爾芯的Prodigy芯神瞳就可以支持時(shí)序驅(qū)動(dòng)的RTL分割，提供高速且穩(wěn)定的通用Serdes TDM IP，可以處理大型IP設(shè)計(jì)，支持高達(dá)25Gbps的分割速率和8K:1的時(shí)分復(fù)用比。此外，還支持多FPGA的并行編譯、分布式編譯、全自動(dòng)編譯和增量編譯，大大減輕了團(tuán)隊(duì)的負(fù)擔(dān)。 ? ? ?

其次，為了讓軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠盡早在原型驗(yàn)證平臺(tái)上開(kāi)始工作，并確保平臺(tái)驗(yàn)證的軟件能快速移植到真實(shí)芯片上，快速環(huán)境部署與設(shè)計(jì)移植效率變得至關(guān)重要。這主要取決于高速接口方案和有效的軟件調(diào)試及觀測(cè)工具。高速接口如PCIe、USB和Ethernet等可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，支持復(fù)雜的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，同時(shí)促進(jìn)軟件在原型平臺(tái)的高效運(yùn)行和準(zhǔn)確移植。而高效的調(diào)試和觀測(cè)工具則幫助工程師快速定位問(wèn)題，易于bring-up。 ?

高速接口方案方面： ? BYO：工程師需要自主開(kāi)發(fā)各種子卡接口和降速橋方案，以及相應(yīng)的IP開(kāi)發(fā)套件。這不僅難以驗(yàn)證接口的正確性，而且在沒(méi)有現(xiàn)成子卡或設(shè)計(jì)的情況下，快速部署可能十分困難，往往需要從零開(kāi)始設(shè)計(jì)或修改。這些額外的開(kāi)發(fā)和復(fù)用成本在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中可能成為負(fù)擔(dān)。 ?

FPGA開(kāi)發(fā)板：接口定制化集成在主板上，提供擴(kuò)展接口有限。 ?

商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)：會(huì)提供即插即用的商用接口，增強(qiáng)了可靠性、可擴(kuò)展性和復(fù)用性，不過(guò)只有少數(shù)平臺(tái)提供子卡資源。但思爾芯的Prodigy芯神瞳提供超過(guò)90種不同的子卡和配件，多樣化的模塊類(lèi)別，包括Arm處理器接口模塊、嵌入式和多媒體模塊等，覆蓋了主流應(yīng)用領(lǐng)域，并已在市場(chǎng)上得到驗(yàn)證，可供直接使用。其多種子卡和參考設(shè)計(jì)，使用戶能夠迅速搭建所需的I/O接口和外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速部署原型環(huán)境。 ? ? ?

值得一提的是，原型驗(yàn)證平臺(tái)與最終的芯片設(shè)計(jì)之間的兼容性和接口標(biāo)準(zhǔn)化程度也非常重要。這決定了軟件從原型驗(yàn)證平臺(tái)到最終硬件的移植難易程度。但BYO的兼容性取決于更多的前期規(guī)劃和設(shè)計(jì)。而FPGA開(kāi)發(fā)板雖然提供標(biāo)準(zhǔn)化接口和支持廣泛的開(kāi)發(fā)環(huán)境，但可重用性相對(duì)有限。相比之下，商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)如Prodigy芯神瞳，由于其標(biāo)準(zhǔn)化接口和高度模塊化的設(shè)計(jì)，可以提供較高的可重用性和易遷移性，適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)需求和目標(biāo)市場(chǎng)。 ?
調(diào)試和觀測(cè)方面： ? BYO：主要依賴FPGA芯片供應(yīng)商提供的調(diào)試工具，通常限于單個(gè)FPGA的調(diào)試。 ?

FPGA開(kāi)發(fā)板：同樣依賴于原廠提供的調(diào)試工具，通常限于單個(gè)FPGA的調(diào)試。中低端的開(kāi)發(fā)板上通常不搭載調(diào)試用的額外DDR內(nèi)存，調(diào)試局限性大，僅提供JTAG等低速調(diào)試手段。 ?

商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)：大部分也是依賴于 FPGA芯片供應(yīng)商的調(diào)試工具，跨FPGA調(diào)試需要使用額外擴(kuò)展的專(zhuān)用調(diào)試板卡。在這方面思爾芯的調(diào)試手段更靈活且高效。它不僅支持多配置方式、實(shí)時(shí)硬件監(jiān)控、遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制及硬件自檢測(cè)等功能，特別是基于網(wǎng)絡(luò)的AXI Transactor，允許用戶遠(yuǎn)程通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和控制連接到AXI接口的設(shè)備，極大地簡(jiǎn)化了遠(yuǎn)程調(diào)試和測(cè)試過(guò)程。還具有基于PCIe 的AXI Transactor來(lái)提供更大帶寬的數(shù)據(jù)交互。此外，思爾芯還提供MDM Pro調(diào)試解決方案，支持多FPGA協(xié)同調(diào)試，并提供高達(dá)125MHz的采樣頻率和最大64GB的額外DDR內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)波形，有效應(yīng)對(duì)多FPGA協(xié)同調(diào)試的挑戰(zhàn)。這些功能的增加主要是由于思爾芯面向廣泛的客戶需求，而這是其他廠商可能未能提供的。 ?

? 圖為思爾芯提供的芯神瞳協(xié)同仿真軟件ProtoBridge ?

03

快速交付與及時(shí)響應(yīng)

在比較BYO、FPGA開(kāi)發(fā)板和商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)時(shí)，通常還會(huì)考慮到芯片公司對(duì)于快速交付和及時(shí)響應(yīng)的需求，我們可以從產(chǎn)品交付、技術(shù)支持和維修維護(hù)這三個(gè)方面進(jìn)行比較： ? 關(guān)于產(chǎn)品交付，BYO的Time-to-Prototype時(shí)間就難以預(yù)測(cè)了，受設(shè)計(jì)復(fù)雜性、資源可用性等多種因素影響。如果項(xiàng)目需求突然增加，BYO可能面臨及時(shí)供貨的挑戰(zhàn)，同時(shí)將設(shè)計(jì)移植到FPGA的過(guò)程也可能耗時(shí)較長(zhǎng)。FPGA開(kāi)發(fā)板的交付時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定，但可能受限于庫(kù)存或生產(chǎn)周期。相比之下商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)，如思爾芯，通常有大量現(xiàn)貨可供選擇，且得益于有效的供應(yīng)鏈管理，能夠快速響應(yīng)客戶需求。這種系統(tǒng)的快速交付優(yōu)勢(shì)對(duì)于時(shí)間敏感的項(xiàng)目尤為重要，可以有效減少等待時(shí)間，加快整體開(kāi)發(fā)進(jìn)程。 ?

在技術(shù)支持和維修方面，BYO通常缺乏立即可用的專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持。這種情況通常需要依靠?jī)?nèi)部團(tuán)隊(duì)的知識(shí)和技能，有時(shí)甚至需要尋求外部的咨詢服務(wù)，這可能導(dǎo)致問(wèn)題解決的時(shí)間延長(zhǎng)。另一方面，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板雖然通常由原廠商提供技術(shù)支持，但這種支持在深度和響應(yīng)速度方面可能有所限制。相比之下，目前市面上的商用原型驗(yàn)證系統(tǒng)雖然在以上方面有很好的支持，但大多由國(guó)外的EDA廠商提供，這些進(jìn)口產(chǎn)品的交付和技術(shù)支持可能會(huì)因時(shí)間延遲而受到影響，進(jìn)而影響項(xiàng)目的進(jìn)度和部署效率。此外，考慮到某些國(guó)外品牌在國(guó)內(nèi)的客戶基礎(chǔ)相對(duì)較小，它們可能沒(méi)有足夠的本地團(tuán)隊(duì)，例如現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師（FAE）團(tuán)隊(duì)，來(lái)提供即時(shí)的技術(shù)支持。無(wú)論是BYO還是FPGA開(kāi)發(fā)板，都存在在故障發(fā)生時(shí)快速定位問(wèn)題和提供現(xiàn)場(chǎng)維修服務(wù)的困難。不像國(guó)內(nèi)的一些廠商，如思爾芯，就可以提供的全面本地化技術(shù)支持和快速響應(yīng)的FAE服務(wù)。在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，有些廠商甚至能夠立即更換設(shè)備，或先借用設(shè)備給客戶，以確保項(xiàng)目的按時(shí)進(jìn)行。 ?

04

整體性成本評(píng)估

就上文提到的一些具體考量點(diǎn)，各類(lèi)原型驗(yàn)證的對(duì)比如下： ?

? ? 之所以考慮BYO和FPGA開(kāi)發(fā)板的主要因素就是節(jié)約成本，諸多因素綜合考慮下來(lái)，真的節(jié)約成本了嗎？由于設(shè)計(jì)復(fù)雜性、專(zhuān)門(mén)的軟硬件團(tuán)隊(duì)要求、功能驗(yàn)證、穩(wěn)定性考慮以及潛在的板子不穩(wěn)定問(wèn)題、軟件開(kāi)發(fā)成本、子卡開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品交付、技術(shù)支持等因素，其中的考量結(jié)果顯而易見(jiàn)。 ? 相比之下，像思爾芯的Prodigy芯神瞳這樣的商用原型驗(yàn)證解決方案是現(xiàn)成的，提供更高的性能、更強(qiáng)的功能以及更廣泛的技術(shù)支持，可以減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和資源投入，使團(tuán)隊(duì)能夠更快地專(zhuān)注于核心開(kāi)發(fā)任務(wù)。這也是如今商用原型驗(yàn)證越來(lái)越普及的原因。

審核編輯：黃飛

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