【導讀】幾十年來，數(shù)字芯片設計復雜度不斷攀升，使芯片驗證面臨資金與時間的巨大挑戰(zhàn)。在早期，開發(fā)者為了驗證芯片設計是否符合預期目標，不得不依賴于耗時的仿真結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)字芯片設計復雜度不斷攀升，使芯片驗證面臨資金與時間的巨大挑戰(zhàn)。在早期，開發(fā)者為了驗證芯片設計是否符合預期目標，不得不依賴于耗時的仿真結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(qū)動來進行簡單的適配，以便應用于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(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計和制造能力。
穩(wěn)定性與性能：在芯片設計中，使用穩(wěn)定且可靠的驗證工具至關重要。BYO的挑戰(zhàn)在于必須確保設計的可靠性和穩(wěn)定性，這通常需要通過反復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，尤其是在大型設計中。在性能方面，BYO只會對自己關鍵的部分進行優(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、以及高性價比，在當前市場中十分突出，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)模設計，芯神瞳支持不同容量的單核，亦可根據(jù)客戶的設計容量和接口需求，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年的技術積累和全球600+的客戶基礎，國內(nèi)市場早已處于領先地位，久經(jīng)市場考驗。經(jīng)過多次迭代，在材質(zhì)、架構、系統(tǒng)以及高速PCB仿真技術等方面的不斷優(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
隨著芯片設計越來越大，復雜度越來越高，商用原型驗證系統(tǒng)的設計目標已轉向使用多顆FPGA芯片，快速實現(xiàn)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。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。這些需求共同構成了原型驗證技術在當前快速發(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雜設計時，通過擴展資源池實現(xiàn)更廣泛的系統(tǒng)功能，以模擬更復雜的系統(tǒng)。這也帶來了額外的復雜性和挑戰(zhàn)，例如復雜的時序控制問題、保持數(shù)據(jù)一致性和同步的難度、資源分配與管理的復雜性等，無論是自制還是商用，都是一大挑戰(zhàn)，在此項技術點上不斷攻堅克難。
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設計，支持高達25Gbps的分割速率和8K:1的時分復用比。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。
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)境部署與設計移植效率變得至關重要。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，支持復雜的應用開發(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)成子卡或設計的情況下，快速部署可能十分困難，往往需要從零開始設計或修改。這些額外的開發(fā)和復用成本在激烈的市場競爭中可能成為負擔。
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，覆蓋了主流應用領域，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計，使用戶能夠迅速搭建所需的I/O接口和外圍設備，實現(xiàn)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(guī)劃和設計。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。
調(diào)試和觀測方面：
BYO：主要依賴FPGA芯片供應商提供的調(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)絡的AXI Transactor，允許用戶遠程通過網(wǎng)絡訪問和控制連接到AXI接口的設備，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
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的需求，我們可以從產(chǎn)品交付、技術支持和維修維護這三個方面進行比較：
關于產(chǎn)品交付，BYO的Time-to-Prototype時間就難以預測了，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可能面臨及時供貨的挑戰(zhàn)，同時將設計移植到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鏈管理，能夠快速響應客戶需求。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。
在技術支持和維修方面，BYO通常缺乏立即可用的專業(yè)技術支持。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，這可能導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(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)的客戶基礎相對較小，它們可能沒有足夠的本地團隊，例如現(xiàn)場應用工程師（FAE）團隊，來提供即時的技術支持。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支持和快速響應的FAE服務。在出現(xiàn)問題時，有些廠商甚至能夠立即更換設備，或先借用設備給客戶，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？由于設計復雜性、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、技術支持等因素，其中的考量結果顯而易見。
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。這也是如今商用原型驗證越來越普及的原因。
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