FPGA原型驗證系統(tǒng)VS硬件仿真器
2022-05-25 20:41:47 楊一峰，芯華章科技技術(shù)市場經(jīng)理FPGA原型驗證系統(tǒng)
FPGA原型驗證系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景是“芯片設(shè)計過程中搭建軟硬件一體的系統(tǒng)驗證環(huán)境”：一是芯片流片回來前為軟件團隊提供調(diào)試驅(qū)動軟件的平臺，加速芯片上市時間；二是作為芯片仿真驗證的一個補充，因為在FPGA內(nèi)部可以生成真實電路，并且可以對接真實的硬件子卡，相較仿真使用的軟件模型有一定差別，因此可以發(fā)現(xiàn)更多隱蔽的bug ；此外FPGA相對軟件仿真以及Emulator而言，速度更快，比較適合一些耗時較多的場景case。故在芯片設(shè)計規(guī)模越來越大的情況下，使用多顆FPGA芯片互聯(lián)能夠快速實現(xiàn)高性能的全系統(tǒng)驗證原型，并滿足該場景下的調(diào)試需求。
Emulator 硬件仿真器
Emulator的主要應(yīng)用場景是 “芯片設(shè)計過程中對完整封閉的設(shè)計進行加速仿真并調(diào)試”，它與FPGA原型驗證系統(tǒng)的主要定位差異在于：能對全芯片進行和芯片時序行為一致的硬件仿真，包括全芯片信號的提取，對全芯片的功能、性能、功耗進行系統(tǒng)級的驗證與調(diào)試。這一點差別導(dǎo)致了兩者系統(tǒng)設(shè)計上的巨大差異。用戶無需花費大量的時間去考慮如何設(shè)計、如何分割、如何布局布線等問題，從而在易用性方面大大增強。
基于FPGA原型驗證系統(tǒng)平臺和 Emulator硬件仿真平臺二者的設(shè)計目標(biāo)和應(yīng)用場景差異，下面我們分別來介紹一下這兩種產(chǎn)品的關(guān)鍵點。
FPGA原型驗證系統(tǒng)
隨著目前集成電路的不斷發(fā)展，設(shè)計規(guī)模的大型化，單顆FPGA板在容量上就顯得捉襟見肘，已經(jīng)無法滿足設(shè)計需求。以目前國內(nèi)頭部的CPU、GPU設(shè)計公司的設(shè)計規(guī)模，單顆IC芯片的設(shè)計體量，需要占用到幾十顆Xilinx VU440級別FPGA的情況，已屢見不鮮。在這種背景之下，FPGA系統(tǒng)供應(yīng)廠商開始著手研究多顆FPGA的系統(tǒng)互聯(lián)解決方案。其中就包括在單塊的PCB板上裝配多顆FPGA及多個FPGA系統(tǒng)之間的互聯(lián)。
經(jīng)過不斷探索，FPGA原型驗證平臺產(chǎn)品應(yīng)運而生。之所以稱之為“平臺”或“系統(tǒng)”，就一定會包含對應(yīng)的軟件和硬件。首先在硬件結(jié)構(gòu)上多顆FPGA互聯(lián)結(jié)構(gòu)的引入就要求結(jié)構(gòu)上比單板形式的FPGA開發(fā)板要復(fù)雜的多，其次FPGA芯片廠商提供的軟件工具無法支持多片的FPGA分割，需要配套專業(yè)的FPGA原型分割相關(guān)軟件工具。
一套優(yōu)秀的FPGA原型驗證系統(tǒng)，應(yīng)該具有以下產(chǎn)品特性：
l 基于模塊化的設(shè)計，可靈活擴充與裁剪的驗證平臺規(guī)模
l 在保證一定的高速仿真性能的前提下，提供設(shè)計完整性
l 提供從軟件早期開發(fā)到系統(tǒng)級驗證的解決方案
l 提供從綜合、自動模塊分割、布局布線、FPGA bit產(chǎn)生、下載、在線/離線Debug的整套流程
l 提供豐富的調(diào)測手段，幫助用戶快速定位問題，易于設(shè)計的快速Bring Up
l 提供豐富的接口子板和外部真實設(shè)備相連
l 提供軟件接口與外部工具構(gòu)成復(fù)雜的調(diào)試解決方案
l 提供豐富的IO接口，以及高速Serdes接口用于partition互連以及外設(shè)子卡的互連
FPGA原型驗證系統(tǒng)速度快，但它的缺點也是顯而易見的，主要體現(xiàn)在調(diào)試的便利性上繼承了FPGA自身的一些缺點，比如需借助FPGA內(nèi)嵌邏輯分析儀來抓取信號排查問題，布局布線耗時冗長，效率不是太高。
硬件仿真器Emulator
在目前SoC規(guī)模越來越大型化的情況下，有的設(shè)計甚至達到數(shù)百億ASIC等效門規(guī)模，巨大的設(shè)計規(guī)模導(dǎo)致軟件仿真時間上的消耗變得越來越無法忍受。FPGA原型平臺在驗證規(guī)模到達一定級別，FPGA數(shù)量太多的情況下，也會帶來新的分割問題并且會失去原有的性能優(yōu)勢。硬件仿真器的優(yōu)勢主要在于它獨有的、超大規(guī)模的硬件結(jié)構(gòu)，盡可能地保證了RTL設(shè)計的完整性。從硬件實現(xiàn)上看，一般有基于FPGA和CPU兩種架構(gòu)，對于基于FPGA架構(gòu)的類型來說（如Synopsys的Zebu系列），可以理解為有很多塊FPGA單板，大量的單板與電源、控制等再互相連接起來，形成一個“龐然大物”，優(yōu)點是仿真性能高，使用商用FPGA可以降低開發(fā)成本；對于基于CPU架構(gòu)的類型來說(如Cadence的Palladium系列)，通常會將集成了數(shù)以萬計的高速CPU核的ASIC芯片焊接在一塊巨大的單板上，配以控制、冷卻等模塊構(gòu)成一個完整系統(tǒng)。優(yōu)點在于編譯時間短，調(diào)試能力強；缺點就是功耗高，需要特別冷卻系統(tǒng)和運營成本高，穩(wěn)定性比較難控制，性能一般也比基于FPGA的硬件仿真系統(tǒng)低些。一般一套Emulator的體積大約從一個冰柜到一臺大雙開門冰箱的大小，而大型Emulator的重量也可以用“噸”來計算了。本文主要介紹基于FPGA的硬件仿真器。
基于FPGA的原型平臺和硬件仿真器，兩者的架構(gòu)和軟件上雖有一定的相似之處，但定位不同，Emulator的定位和設(shè)計都是指向大容量和全系統(tǒng)仿真級調(diào)試，因此軟硬件設(shè)計上有不同的取舍。綜合來看，硬件仿真器的特點是支持超大規(guī)模（10億門級以上）的設(shè)計容量，全自動化的軟件設(shè)置實現(xiàn)流程，基本無需修改硬件連接配置，以及靈活多樣的全系統(tǒng)仿真調(diào)試能力，包括：
信號的追蹤深度更深（達數(shù)十億仿真周期）
l 信號的條件觸發(fā)、動態(tài)探針插入、離線調(diào)試
l 擁有不限量的時鐘域，它們可以從核心時鐘資源中無限衍生
l 全系統(tǒng)范圍的調(diào)試追蹤
l 帶有UVM驗證方法學(xué)的協(xié)同加速仿真
l 軟硬件的協(xié)同驗證、測試接口的虛擬化支持
l 系統(tǒng)功耗與性能預(yù)估、分析
目前，主流的Emulator工作特點，基本上包括以下幾種：
l 基于Cycle級的軟硬件聯(lián)合仿真
l 基于ICE ( In-Circuit Emulator )模式: 一種最為傳統(tǒng)的，理論上運行速度最快的模式。這種模式下需要在硬件中集成被測試邏輯單元及測試邏輯，或者通過外設(shè)硬件輸入激勵；且往往需要用到Speed Adapter以實現(xiàn)外圍高速硬件和硬件仿真器在工作頻率上的橋接。由于Emulator本身的運行頻率不高，那么和外部的設(shè)備，如PCIE/SATA/USB等連接時需要通過速度匹配設(shè)備，通過緩存來匹配快速端的速度進行適配
l 基于事務(wù)級(Transaction)的軟硬件聯(lián)合仿真；這種情況下，被測試的邏輯部分運行在Emulator的硬件里面；硬件通過一套完整的軟件及驅(qū)動、物理通道和Host Server實現(xiàn)連接。這種方式下可以使用多樣的SW model Library，常見的有PCIE/AMBA bus等。雖然說它的運行速度沒有ICE模式快，但是在軟件上的功能和方法支持非常豐富。這種方式也被認(rèn)為是軟件Simulator的硬件化
l 提供豐富多樣的虛擬解決方案：包括Virtual Host(Qemu/VDK)，Virtual Device（例如基于Chiplet的Die to Die 模型)，Virtual memory models（各類協(xié)議的存儲器模型SDRAM/Flash/SRAM/EEPROM)，Transactors（AMBA/PCIe)，Hybrid Mode（CPU Models+ DUT in Hardware）
l 多種模式的探針工作方式：靜態(tài)探針、動態(tài)探針、全景探針和定制探針組等
其次，在多用戶的支持方面，Emulator系統(tǒng)可以支持較多的用戶同時在線使用，實現(xiàn)資源的靈活調(diào)度；而FPGA原型系統(tǒng)目前也有可以支持多用戶的場景，但因為產(chǎn)品在時鐘資源分配等方面存在著局限性，所以實際很少采用。
總結(jié)
最后，我們再來看一下FPGA原型驗證系統(tǒng)和硬件仿真器Emulator之間的對比表格：
下面的圖例便于讀者更容易的理解它們二者之間的關(guān)系：
從系統(tǒng)的特性上看，FPGA 原型系統(tǒng)支持多FPGA、自動分割；性能較高的情況下運行系統(tǒng)軟件；仿真加速器的超大容量可以放全芯片的設(shè)計，進行全芯片的系統(tǒng)功能/性能/功耗驗證。從應(yīng)用場景上看，我們看到原型系統(tǒng)和仿真加速器在軟硬件協(xié)同設(shè)計方面，有一定的交集。
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