【導(dǎo)讀】幾十年來，數(shù)字芯片設(shè)計復(fù)雜度不斷攀升，使芯片驗證面臨資金與時間的巨大挑戰(zhàn)。在早期，開發(fā)者為了驗證芯片設(shè)計是否符合預(yù)期目標，不得不依賴于耗時的仿真結(jié)果或是等待實際芯片生產(chǎn)（流片）的成果。無論是進行多次仿真模擬還是面臨流片失敗，都意味著巨大的時間和金錢成本。
幾十年來，數(shù)字芯片設(shè)計復(fù)雜度不斷攀升，使芯片驗證面臨資金與時間的巨大挑戰(zhàn)。在早期，開發(fā)者為了驗證芯片設(shè)計是否符合預(yù)期目標，不得不依賴于耗時的仿真結(jié)果或是等待實際芯片生產(chǎn)（流片）的成果。無論是進行多次仿真模擬還是面臨流片失敗，都意味著巨大的時間和金錢成本。
隨著EDA（電子設(shè)計自動化）驗證工具的重要性日益增加，開發(fā)者開始尋求減少流片成本和縮短開發(fā)周期的方法。其中，使用可編程邏輯芯片（FPGA）來構(gòu)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(tǒng)流片便宜，而且比仿真更快，已成為檢驗設(shè)計有效性的首選方式。
特別是在基本功能驗證通過后，通過原型驗證就可以提前開始驅(qū)動的開發(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證版本的驅(qū)動來進行簡單的適配，以便應(yīng)用于SoC（系統(tǒng)級芯片）上，這極大地控制了SoC芯片的Time-to-Market時間。
1.原型驗證的分類
目前的原型驗證主要分三類：一類是芯片設(shè)計公司自行制作的FPGA板(Build Your Own, 以下簡稱 BYO)。一類是直接從FPGA制造商，如AMD、Altera等，購買現(xiàn)成的開發(fā)板。還有一類是由專業(yè)公司提供的商用原型驗證系統(tǒng)。隨著商用解決方案的崛起，原型驗證已普及化，變成芯片設(shè)計和軟件開發(fā)重要的一環(huán)。接下來，我將從容量/適用場景、穩(wěn)定性和性能這幾個方面，對這三類原型驗證進行簡單介紹。
BYO：
容量/適用場景：BYO主要適用于小、中型設(shè)計，大型設(shè)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(shè)計團隊根據(jù)特定需求定制硬件。但這同時要求團隊具備深厚的電路設(shè)計和制造能力。
穩(wěn)定性與性能：在芯片設(shè)計中，使用穩(wěn)定且可靠的驗證工具至關(guān)重要。BYO的挑戰(zhàn)在于必須確保設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性，這通常需要通過反復(fù)的測試和驗證來實現(xiàn)。由于需要依賴于FPGA工程師的專業(yè)水平，穩(wěn)定性可能難以保證，尤其是在大型設(shè)計中。在性能方面，BYO只會對自己關(guān)鍵的部分進行優(yōu)化調(diào)整，雖然針對這些特定場景的深度定制可以實現(xiàn)高性能，但通常來說，它的綜合性能可能不如商用平臺。
FPGA開發(fā)板：
容量/適用場景：適合小型設(shè)計、軟核開發(fā)、特定協(xié)議開發(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。這些開發(fā)板提供了快速原型開發(fā)的便利，同時具有一定的靈活性和適應(yīng)性。
穩(wěn)定性與性能：由于來源于主流FPGA廠商，這類開發(fā)板通常具有較好的穩(wěn)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(tǒng)：
容量/適用場景：適合各種規(guī)模和復(fù)雜度的設(shè)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、以及高性價比，在當(dāng)前市場中十分突出，因此備受市場青睞。其單系統(tǒng)可支持單核、雙核、四核、八核，并能進行級聯(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(guī)模設(shè)計，芯神瞳支持不同容量的單核，亦可根據(jù)客戶的設(shè)計容量和接口需求，選擇最具性價比的解決方案。另外，思爾芯方案同時支持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+的客戶基礎(chǔ)，國內(nèi)市場早已處于領(lǐng)先地位，久經(jīng)市場考驗。經(jīng)過多次迭代，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(zhàn)及解決方案
隨著芯片設(shè)計越來越大，復(fù)雜度越來越高，商用原型驗證系統(tǒng)的設(shè)計目標已轉(zhuǎn)向使用多顆FPGA芯片，快速實現(xiàn)全芯片設(shè)計與高性能的全芯片驗證。為了能縮短設(shè)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實現(xiàn)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剪裁版本，自動分割功能以減少工作量，以及完善的工具鏈以縮短實現(xiàn)周期，并減輕團隊負擔(dān)。與此同時，軟件開發(fā)團隊需要能夠盡早開始在平臺上進行軟件開發(fā)，并且希望在平臺上驗證完的軟件能快速移植到實際芯片上，同時要求接口方案的多樣性以及有效的軟件調(diào)試和觀測工具。這些需求共同構(gòu)成了原型驗證技術(shù)在當(dāng)前快速發(fā)展下的主要挑戰(zhàn)。
針對以上這些要求，BYO、FPGA開發(fā)板與商用原型驗證系統(tǒng)三者之間又有何差異呢？
首先，F(xiàn)PGA實現(xiàn)團隊所需要的多板級聯(lián)，是為了在單個FPGA板無法提供足夠資源支持大型或復(fù)雜設(shè)計時，通過擴展資源池實現(xiàn)更廣泛的系統(tǒng)功能，以模擬更復(fù)雜的系統(tǒng)。這也帶來了額外的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)，例如復(fù)雜的時序控制問題、保持數(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，無論是自制還是商用，都是一大挑戰(zhàn)，在此項技術(shù)點上不斷攻堅克難。
BYO：想要實現(xiàn)多板級聯(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。
FPGA開發(fā)板：原廠不支持多板級聯(lián)方案。
商用原型驗證系統(tǒng)：多數(shù)廠商的多板級聯(lián)方案還不夠成熟，且支持的最大規(guī)模有限。國內(nèi)的思爾芯是為數(shù)不多可以提供成熟的多板級聯(lián)方案的廠商，客戶端已成功部署百億門級系統(tǒng)。
在原型驗證中，以減少FPGA實現(xiàn)團隊工作量和提高準確性為目標，自動分割功能、時分復(fù)用（TDM）、并行編譯、全自動編譯和增量編譯等自動化軟件的支持，和完善的工具鏈就變得至關(guān)重要。這些全自動的軟件使得原型驗證的易用性大大提升，但不是所有類型的原型驗證都具備，有著明顯的差異。
BYO：易用性較低，所有軟件需要自行開發(fā)，不支持自動分割，僅能手動操作。
FPGA開發(fā)板：也不支持自動分割，同樣需手動操作；其編譯依賴于FPGA原廠提供的功能有限的工具。
商用原型驗證系統(tǒng)：三大家和思爾芯在此方面投入了很久，也經(jīng)過了充分的市場驗證。在這方面，思爾芯的Prodigy芯神瞳就可以支持時序驅(qū)動的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，支持高達25Gbps的分割速率和8K:1的時分復(fù)用比。此外，還支持多FPGA的并行編譯、分布式編譯、全自動編譯和增量編譯，大大減輕了團隊的負擔(dān)。
圖為思爾芯Prodigy芯神瞳原型驗證解決方案
其次，為了讓軟件開發(fā)團隊能夠盡早在原型驗證平臺上開始工作，并確保平臺驗證的軟件能快速移植到真實芯片上，快速環(huán)境部署與設(shè)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(diào)試及觀測工具。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)用開發(fā)，同時促進軟件在原型平臺的高效運行和準確移植。而高效的調(diào)試和觀測工具則幫助工程師快速定位問題，易于bring-up。
高速接口方案方面：
BYO：工程師需要自主開發(fā)各種子卡接口和降速橋方案，以及相應(yīng)的IP開發(fā)套件。這不僅難以驗證接口的正確性，而且在沒有現(xiàn)成子卡或設(shè)計的情況下，快速部署可能十分困難，往往需要從零開始設(shè)計或修改。這些額外的開發(fā)和復(fù)用成本在激烈的市場競爭中可能成為負擔(dān)。
FPGA開發(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(tǒng)：會提供即插即用的商用接口，增強了可靠性、可擴展性和復(fù)用性，不過只有少數(shù)平臺提供子卡資源。但思爾芯的Prodigy芯神瞳提供超過90種不同的子卡和配件，多樣化的模塊類別，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，并已在市場上得到驗證，可供直接使用。其多種子卡和參考設(shè)計，使用戶能夠迅速搭建所需的I/O接口和外圍設(shè)備，實現(xiàn)快速部署原型環(huán)境。
圖為思爾芯豐富的外設(shè)子卡
值得一提的是，原型驗證平臺與最終的芯片設(shè)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(guī)劃和設(shè)計。而FPGA開發(fā)板雖然提供標準化接口和支持廣泛的開發(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(tǒng)如Prodigy芯神瞳，由于其標準化接口和高度模塊化的設(shè)計，可以提供較高的可重用性和易遷移性，適應(yīng)不同的設(shè)計需求和目標市場。
調(diào)試和觀測方面：
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FPGA的調(diào)試。
FPGA開發(fā)板：同樣依賴于原廠提供的調(diào)試工具，通常限于單個FPGA的調(diào)試。中低端的開發(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)試需要使用額外擴展的專用調(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、實時硬件監(jiān)控、遠程系統(tǒng)控制及硬件自檢測等功能，特別是基于網(wǎng)絡(luò)的AXI Transactor，允許用戶遠程通過網(wǎng)絡(luò)訪問和控制連接到AXI接口的設(shè)備，極大地簡化了遠程調(diào)試和測試過程。還具有基于PCIe 的AXI Transactor來提供更大帶寬的數(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125MHz的采樣頻率和最大64GB的額外DDR內(nèi)存來存儲波形，有效應(yīng)對多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
3.快速交付與及時響應(yīng)
在比較BYO、FPGA開發(fā)板和商用原型驗證系統(tǒng)時，通常還會考慮到芯片公司對于快速交付和及時響應(yīng)的需求，我們可以從產(chǎn)品交付、技術(shù)支持和維修維護這三個方面進行比較：
關(guān)于產(chǎn)品交付，BYO的Time-to-Prototype時間就難以預(yù)測了，受設(shè)計復(fù)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可能面臨及時供貨的挑戰(zhàn)，同時將設(shè)計移植到FPGA的過程也可能耗時較長。FPGA開發(fā)板的交付時間相對穩(wěn)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(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)勢對于時間敏感的項目尤為重要，可以有效減少等待時間，加快整體開發(fā)進程。
在技術(shù)支持和維修方面，BYO通常缺乏立即可用的專業(yè)技術(shù)支持。這種情況通常需要依靠內(nèi)部團隊的知識和技能，有時甚至需要尋求外部的咨詢服務(wù)，這可能導(dǎo)致問題解決的時間延長。另一方面，F(xiàn)PGA開發(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證系統(tǒng)雖然在以上方面有很好的支持，但大多由國外的EDA廠商提供，這些進口產(chǎn)品的交付和技術(shù)支持可能會因時間延遲而受到影響，進而影響項目的進度和部署效率。此外，考慮到某些國外品牌在國內(nèi)的客戶基礎(chǔ)相對較小，它們可能沒有足夠的本地團隊，例如現(xiàn)場應(yīng)用工程師（FAE）團隊，來提供即時的技術(shù)支持。無論是BYO還是FPGA開發(fā)板，都存在在故障發(fā)生時快速定位問題和提供現(xiàn)場維修服務(wù)的困難。不像國內(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)問題時，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，以確保項目的按時進行。
4.整體性成本評估
就上文提到的一些具體考量點，各類原型驗證的對比如下：
之所以考慮BYO和FPGA開發(fā)板的主要因素就是節(jié)約成本，諸多因素綜合考慮下來，真的節(jié)約成本了嗎？由于設(shè)計復(fù)雜性、專門的軟硬件團隊要求、功能驗證、穩(wěn)定性考慮以及潛在的板子不穩(wěn)定問題、軟件開發(fā)成本、子卡開發(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。
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(xiàn)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，可以減少開發(fā)時間和資源投入，使團隊能夠更快地專注于核心開發(fā)任務(wù)。這也是如今商用原型驗證越來越普及的原因。
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