【導讀】幾十年來(lái)，數字芯片設計復雜度不斷攀升，使芯片驗證面臨資金與時(shí)間的巨大挑戰。在早期，開(kāi)發(fā)者為了驗證芯片設計是否符合預期目標，不得不依賴(lài)于耗時(shí)的仿真結果或是等待實(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(zhù)巨大的時(shí)間和金錢(qián)成本。
幾十年來(lái)，數字芯片設計復雜度不斷攀升，使芯片驗證面臨資金與時(shí)間的巨大挑戰。在早期，開(kāi)發(fā)者為了驗證芯片設計是否符合預期目標，不得不依賴(lài)于耗時(shí)的仿真結果或是等待實(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(zhù)巨大的時(shí)間和金錢(qián)成本。
隨著(zhù)EDA（電子設計自動(dòng)化）驗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)構建有效的驗證流程成為一種流行的解決方案。這種方法便是原型驗證。它不僅比傳統流片便宜，而且比仿真更快，已成為檢驗設計有效性的首選方式。
特別是在基本功能驗證通過(guò)后，通過(guò)原型驗證就可以提前開(kāi)始驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)，不用等待芯片流片（Tape Out）后的結果。當芯片回片后，應用程序可以直接基于原型驗證版本的驅動(dòng)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的適配，以便應用于SoC（系統級芯片）上，這極大地控制了SoC芯片的Time-to-Market時(shí)間。
1.原型驗證的分類(lèi)
目前的原型驗證主要分三類(lèi)：一類(lèi)是芯片設計公司自行制作的FPGA板(Build Your Own, 以下簡(jiǎn)稱(chēng) BYO)。一類(lèi)是直接從FPGA制造商，如AMD、Altera等，購買(mǎi)現成的開(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證系統。隨著(zhù)商用解決方案的崛起，原型驗證已普及化，變成芯片設計和軟件開(kāi)發(fā)重要的一環(huán)。接下來(lái)，我將從容量/適用場(chǎng)景、穩定性和性能這幾個(gè)方面，對這三類(lèi)原型驗證進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
BYO：
容量/適用場(chǎng)景：BYO主要適用于小、中型設計，大型設計其容量和靈活性可能受到限制。BYO的優(yōu)勢在于高度定制化，允許設計團隊根據特定需求定制硬件。但這同時(shí)要求團隊具備深厚的電路設計和制造能力。
穩定性與性能：在芯片設計中，使用穩定且可靠的驗證工具至關(guān)重要。BYO的挑戰在于必須確保設計的可靠性和穩定性，這通常需要通過(guò)反復的測試和驗證來(lái)實(shí)現。由于需要依賴(lài)于FPGA工程師的專(zhuān)業(yè)水平，穩定性可能難以保證，尤其是在大型設計中。在性能方面，BYO只會(huì )對自己關(guān)鍵的部分進(jìn)行優(yōu)化調整，雖然針對這些特定場(chǎng)景的深度定制可以實(shí)現高性能，但通常來(lái)說(shuō)，它的綜合性能可能不如商用平臺。
FPGA開(kāi)發(fā)板：
容量/適用場(chǎng)景：適合小型設計、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性。
穩定性與性能：由于來(lái)源于主流FPGA廠(chǎng)商，這類(lèi)開(kāi)發(fā)板通常具有較好的穩定性。它們在特定接口下能夠提供高性能，但對于其他I/O支持可能有限。
商用原型驗證系統：
容量/適用場(chǎng)景：適合各種規模和復雜度的設計。例如思爾芯的Prodigy芯神瞳原型驗證解決方案，它提供了廣泛的容量范圍、豐富的產(chǎn)品線(xiàn)、以及高性?xún)r(jià)比，在當前市場(chǎng)中十分突出，因此備受市場(chǎng)青睞。其單系統可支持單核、雙核、四核、八核，并能進(jìn)行級聯(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。對于小規模設計，芯神瞳支持不同容量的單核，亦可根據客戶(hù)的設計容量和接口需求，選擇最具性?xún)r(jià)比的解決方案。另外，思爾芯方案同時(shí)支持AMD（Xilinx）和Altera。
穩定性與性能：除了三大家和思爾芯，大部分商用系統還未經(jīng)大量市場(chǎng)考驗。思爾芯所提供的自主可控的Prodigy芯神瞳原型驗證解決方案，其憑借20年的技術(shù)積累和全球600+的客戶(hù)基礎，國內市場(chǎng)早已處于領(lǐng)先地位，久經(jīng)市場(chǎng)考驗。經(jīng)過(guò)多次迭代，在材質(zhì)、架構、系統以及高速PCB仿真技術(shù)等方面的不斷優(yōu)化下，大多數情況下系統都能達到高性能。
圖為思爾芯Prodigy芯神瞳原型驗證的多選擇性平臺
2.原型驗證的幾大挑戰及解決方案
隨著(zhù)芯片設計越來(lái)越大，復雜度越來(lái)越高，商用原型驗證系統的設計目標已轉向使用多顆FPGA芯片，快速實(shí)現全芯片設計與高性能的全芯片驗證。為了能縮短設計周期，加速產(chǎn)品上市，對于原型驗證的選擇，不同的項目團隊有不同的要求與考量。
FPGA實(shí)現團隊的要求則包括具備足夠的容量和級聯(lián)功能以避免維護多個(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)現周期，并減輕團隊負擔。與此同時(shí)，軟件開(kāi)發(fā)團隊需要能夠盡早開(kāi)始在平臺上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，并且希望在平臺上驗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試和觀(guān)測工具。這些需求共同構成了原型驗證技術(shù)在當前快速發(fā)展下的主要挑戰。
針對以上這些要求，BYO、FPGA開(kāi)發(fā)板與商用原型驗證系統三者之間又有何差異呢？
首先，FPGA實(shí)現團隊所需要的多板級聯(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雜設計時(shí)，通過(guò)擴展資源池實(shí)現更廣泛的系統功能，以模擬更復雜的系統。這也帶來(lái)了額外的復雜性和挑戰，例如復雜的時(shí)序控制問(wèn)題、保持數據一致性和同步的難度、資源分配與管理的復雜性等，無(wú)論是自制還是商用，都是一大挑戰，在此項技術(shù)點(diǎn)上不斷攻堅克難。
BYO：想要實(shí)現多板級聯(lián)方案是很困難的，很大程度上依賴(lài)于FPGA工程師的技術(shù)水平和經(jīng)驗。
FPGA開(kāi)發(fā)板：原廠(chǎng)不支持多板級聯(lián)方案。
商用原型驗證系統：多數廠(chǎng)商的多板級聯(lián)方案還不夠成熟，且支持的最大規模有限。國內的思爾芯是為數不多可以提供成熟的多板級聯(lián)方案的廠(chǎng)商，客戶(hù)端已成功部署百億門(mén)級系統。
在原型驗證中，以減少FPGA實(shí)現團隊工作量和提高準確性為目標，自動(dòng)分割功能、時(shí)分復用（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)的軟件使得原型驗證的易用性大大提升，但不是所有類(lèi)型的原型驗證都具備，有著(zhù)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(lài)于FPGA原廠(chǎng)提供的功能有限的工具。
商用原型驗證系統：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)驗證。在這方面，思爾芯的Prodigy芯神瞳就可以支持時(shí)序驅動(dòng)的RTL分割，提供高速且穩定的通用Serdes TDM IP，可以處理大型IP設計，支持高達25Gbps的分割速率和8K:1的時(shí)分復用比。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，大大減輕了團隊的負擔。
圖為思爾芯Prodigy芯神瞳原型驗證解決方案
其次，為了讓軟件開(kāi)發(fā)團隊能夠盡早在原型驗證平臺上開(kāi)始工作，并確保平臺驗證的軟件能快速移植到真實(shí)芯片上，快速環(huán)境部署與設計移植效率變得至關(guān)重要。這主要取決于高速接口方案和有效的軟件調試及觀(guān)測工具。高速接口如PCIe、USB和Ethernet等可以提高數據傳輸效率，支持復雜的應用開(kāi)發(fā)，同時(shí)促進(jìn)軟件在原型平臺的高效運行和準確移植。而高效的調試和觀(guān)測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，以及相應的IP開(kāi)發(fā)套件。這不僅難以驗證接口的正確性，而且在沒(méi)有現成子卡或設計的情況下，快速部署可能十分困難，往往需要從零開(kāi)始設計或修改。這些額外的開(kāi)發(fā)和復用成本在激烈的市場(chǎng)競爭中可能成為負擔。
FPGA開(kāi)發(fā)板：接口定制化集成在主板上，提供擴展接口有限。
商用原型驗證系統：會(huì )提供即插即用的商用接口，增強了可靠性、可擴展性和復用性，不過(guò)只有少數平臺提供子卡資源。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，覆蓋了主流應用領(lǐng)域，并已在市場(chǎng)上得到驗證，可供直接使用。其多種子卡和參考設計，使用戶(hù)能夠迅速搭建所需的I/O接口和外圍設備，實(shí)現快速部署原型環(huán)境。
圖為思爾芯豐富的外設子卡
值得一提的是，原型驗證平臺與最終的芯片設計之間的兼容性和接口標準化程度也非常重要。這決定了軟件從原型驗證平臺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劃和設計。而FPGA開(kāi)發(fā)板雖然提供標準化接口和支持廣泛的開(kāi)發(fā)環(huán)境，但可重用性相對有限。相比之下，商用原型驗證系統如Prodigy芯神瞳，由于其標準化接口和高度模塊化的設計，可以提供較高的可重用性和易遷移性，適應不同的設計需求和目標市場(chǎng)。
調試和觀(guān)測方面：
BYO：主要依賴(lài)FPGA芯片供應商提供的調試工具，通常限于單個(gè)FPGA的調試。
FPGA開(kāi)發(fā)板：同樣依賴(lài)于原廠(chǎng)提供的調試工具，通常限于單個(gè)FPGA的調試。中低端的開(kāi)發(fā)板上通常不搭載調試用的額外DDR內存，調試局限性大，僅提供JTAG等低速調試手段。
商用原型驗證系統：大部分也是依賴(lài)于 FPGA芯片供應商的調試工具，跨FPGA調試需要使用額外擴展的專(zhuān)用調試板卡。在這方面思爾芯的調試手段更靈活且高效。它不僅支持多配置方式、實(shí)時(shí)硬件監控、遠程系統控制及硬件自檢測等功能，特別是基于網(wǎng)絡(luò )的AXI Transactor，允許用戶(hù)遠程通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)和控制連接到AXI接口的設備，極大地簡(jiǎn)化了遠程調試和測試過(guò)程。還具有基于PCIe 的AXI Transactor來(lái)提供更大帶寬的數據交互。此外，思爾芯還提供MDM Pro調試解決方案，支持多FPGA協(xié)同調試，并提供高達125MHz的采樣頻率和最大64GB的額外DDR內存來(lái)存儲波形，有效應對多FPGA協(xié)同調試的挑戰。這些功能的增加主要是由于思爾芯面向廣泛的客戶(hù)需求，而這是其他廠(chǎng)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
3.快速交付與及時(shí)響應
在比較BYO、FPGA開(kāi)發(fā)板和商用原型驗證系統時(shí)，通常還會(huì )考慮到芯片公司對于快速交付和及時(shí)響應的需求，我們可以從產(chǎn)品交付、技術(shù)支持和維修維護這三個(gè)方面進(jìn)行比較：
關(guān)于產(chǎn)品交付，BYO的Time-to-Prototype時(shí)間就難以預測了，受設計復雜性、資源可用性等多種因素影響。如果項目需求突然增加，BYO可能面臨及時(shí)供貨的挑戰，同時(shí)將設計移植到FPGA的過(guò)程也可能耗時(shí)較長(cháng)。FPGA開(kāi)發(fā)板的交付時(shí)間相對穩定，但可能受限于庫存或生產(chǎn)周期。相比之下商用原型驗證系統，如思爾芯，通常有大量現貨可供選擇，且得益于有效的供應鏈管理，能夠快速響應客戶(hù)需求。這種系統的快速交付優(yōu)勢對于時(shí)間敏感的項目尤為重要，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?jì)炔繄F隊的知識和技能，有時(shí)甚至需要尋求外部的咨詢(xún)服務(wù)，這可能導致問(wèn)題解決的時(shí)間延長(cháng)。另一方面，FPGA開(kāi)發(fā)板雖然通常由原廠(chǎng)商提供技術(shù)支持，但這種支持在深度和響應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證系統雖然在以上方面有很好的支持，但大多由國外的EDA廠(chǎng)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)而影響項目的進(jìn)度和部署效率。此外，考慮到某些國外品牌在國內的客戶(hù)基礎相對較小，它們可能沒(méi)有足夠的本地團隊，例如現場(chǎng)應用工程師（FAE）團隊，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)題和提供現場(chǎng)維修服務(wù)的困難。不像國內的一些廠(chǎng)商，如思爾芯，就可以提供的全面本地化技術(shù)支持和快速響應的FAE服務(wù)。在出現問(wèn)題時(shí)，有些廠(chǎng)商甚至能夠立即更換設備，或先借用設備給客戶(hù)，以確保項目的按時(shí)進(jìn)行。
4.整體性成本評估
就上文提到的一些具體考量點(diǎn)，各類(lèi)原型驗證的對比如下：
之所以考慮BYO和FPGA開(kāi)發(fā)板的主要因素就是節約成本，諸多因素綜合考慮下來(lái)，真的節約成本了嗎？由于設計復雜性、專(zhuān)門(mén)的軟硬件團隊要求、功能驗證、穩定性考慮以及潛在的板子不穩定問(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證解決方案是現成的，提供更高的性能、更強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，使團隊能夠更快地專(zhuān)注于核心開(kāi)發(fā)任務(wù)。這也是如今商用原型驗證越來(lái)越普及的原因。
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