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数字芯片设计验证经验分享： 将ASIC IP核移植到FPGA上——更新概念并推动改变以完成充满挑战的任务!
前言：
作者：Philipp Jacobsohn，SmartDV首席应用工程师
Sunil Kumar，SmartDV FPGA设计总监
本系列文章从数字芯片设计项目技术总监的角度出发，介绍了如何将芯片的产品定义与设计和验证规划进行结合，详细讲述了在FPGA上使用IP核来开发ASIC原型项目时，必须认真考虑的一些问题。文章从介绍使用预先定制功能即IP核的必要性开始，通过阐述开发ASIC原型设计时需要考虑到的IP核相关因素，用八个重要主题详细分享了利用ASIC所用IP来在FPGA上开发原型验证系统设计时需要考量的因素。
在上篇文章中，我们介绍了将ASIC IP移植到FPGA原型平台上的必要性，并对原型设计中各种考量因素进行了总体概述，分析开发ASIC原型验证设计时需要考虑到的IP核相关因素，以及经验分享的八大主题的第一主题“明了需求、发现不同”。本篇文章是SmartDV数字芯片设计经验分享系列文章的第二篇，将继续分享第二到第四主题，包括FPGA原型的基本概念、常见挑战和基本调整。
作为全球领先的验证解决方案和设计IP提供商，SmartDV的产品研发及工程应用团队具有丰富的设计和验证经验。在国产大容量FPGA芯片和IP新品不断面市的今天，SmartDV及其中国全资子公司“智权半导体”愿意与国内FPGA芯片开发商、RISC-V IP和其他IP提供商、集成电路设计中心(ICC)合作，共同为国内数字芯片设计公司开发基于本地FPGA的验证与设计平台等创新技术与产品。
主题1：一款原型和最终ASIC实现之间的要求有何不同？
主题2：当使用FPGA进行原型设计时会立即想到哪些基本概念？
主题3：在将专为ASIC技术而设计的IP核移植到FPGA架构上时通常会遇到哪些困难？
主题4：为了支持基于FPGA的原型，通常需要对ASIC IP核进行哪些更改？
主题5：我们如何确保在FPGA上实现所需的性能？
主题6：在时钟方面必须加以考量的因素有哪些？
Topic 7：如果目标技术是FPGA，而不是ASIC，那么需要如何测试IP核的功能？
主题8：设计团队还应该牢记什么？
主题2：在使用FPGA进行原型设计时会用到哪些基本概念？
可重用性对IP核至关重要：这些内核应该尽可能使用通用RTL代码来描述。这是确保用于ASIC实现的电路描述，也可以在原型设计环境中使用而无需进行重大更改的唯一方法。这是非常重要的，因为原型设计的任务之一就是检查RTL代码的正确性。
实现中的任何偏差都会带来风险，使用通过ASIC逻辑综合的RTL代码来替换特定用于FPGA实例的时候，都会产生功能性错误。使用尽可能完全相同的代码库，就可以增加在原型设计期间已经得到验证的功能在ASIC实现中加以保留的可能性。关于不可能总是避免特定于FPGA组件实例化的原因，我们将在接下来的主题4中进行更详细的讨论：为了支持基于FPGA的原型，通常需要对ASIC IP核进行哪些更改呢？
使用已经在ASIC目标架构中经过流片验证的IP核，并且之前也已经被IP提供商成功移植到FPGA组件中，就可以提供巨大的优势。这意味着不仅创建电路所需的工作量可以大大减少，而且通过使用已经在该领域被广泛使用的预先定制电路组件，在ASIC流片后检测出故障的概率也大大降低。在这种情况下，重要的是不仅可以重用纯RTL代码，而且还可以减少创建逻辑综合和布局布线（P&R）设置脚本以及其他所需约束文件的工作量，因为这些通常与IP核一起提供。所有这些都可以大大简化IP核的集成。
其他有利于原型设计的标准是：1）FPGA的选择和2）专用EDA工具的使用。原则上来说，通过选择容量尽可能大且速度快的FPGA，或使用已经商业化的预先定制的基于FPGA的原型设计开发板，都可以大大简化原型设计的工作。
图2：Digilent Genesys 2 FPGA开发板是一个普遍适用的原型设计平台的案例（图片©Digilent）
将IP核集成到一个复杂的ASIC设计中，通常也带来了在FPGA上实现相同功能的期望。必须在两种用例之间做出区分：一方面，用于原型设计场景；另一方面，通过利用可重构平台来进行物理验证，可支持在早期阶段（即在可提供ASIC芯片之前）就对相关的固件和软件进行测试。
由于FPGA的可编程性，在电路验证中使用FPGA已成为既定的标准方法，即可通过迭代方法检测和消除电路实现中的错误。与纯模拟手段相比，FPGA支持更多的测试周期，因此它可以发现和消除在纯模拟性验证方法中可能难以发现的错误。其结果是，验证覆盖率得到了显著的增加。由于验证要么是实时执行的，要么是以稍微降低的时钟速率执行，甚至可以进行长期测试。
主题3：将专为ASIC技术设计的IP核移植到FPGA架构时通常会遇到哪些困难？
与人们的假设相反，IP核的使用通常不是一个纯粹的“即插即用”过程，即并不是通过使用标准化的组件，就可确保即刻可用的电路功能。如果目标架构是FPGA，则结果更是如此。相反，IP核的使用需要对各种参数进行精确的规划。非常重要的是，这里应该特别考虑到许多IP核是专为ASIC而设计的，并且最初根本没有打算将其移植到FPGA架构上。
此外，IP核通常是为了满足各种各样的电路实现的要求而创建的。一个用户可能需要内核的某些特性，而另一个用户可能需要不同的特性、设置或约束条件。这意味着IP核在其本身的实现期间就必须考虑所有可能的应用场景，并且必须测试所有可能的配置。
需要考虑以下准则：
在ASIC上实现的电路的运行时钟频率通常可以比FPGA的时钟频率更高。因此，在FPGA实现中应该只使用实际需要的特性。在使用IP核时，如果使用参数化来创建相关的RTL代码，并且这些代码可以很容易地适应各自的需求，这将带来巨大的帮助。这也可以确保在没有重大延迟的情况下提供所需的功能。
在某些情况下，仍然有必要降低FPGA的系统频率（例如，降低到ASIC时钟频率的二分之一或十分之一）。特别是对于接口类IP来说，这可能是一项复杂的工作，需要对外设以及相关的软件和固件进行额外的更改。在创建功能时，采取预防措施以降低系统时钟速率对于IP供应商来说是很重要的。
虽然诸如PHY这样的模拟电路可以用在ASIC上，但将电路功能移植到FPGA上时，情况并非如此。在某些情况下，模拟接口可以通过使用FPGA SerDes IO（在所有现代FPGA器件上通常都有提供）或高速收发器来实现，或者通过创建一个数字“仿真PHY”来模拟，以消除对外部PHY设备的需求。然而，为了提供与ASIC功能相同的模拟PHY接口，基于FPGA的原型需要使用这种外部硬件组件。重要的是要确保IP和PHY之间接口的通信，这样各个不同的组件之间不仅可以“交谈”，而且还可以相互“理解”。
主题4：为了支持基于FPGA的原型，通常必须对ASIC IP核进行哪些更改？
如前所述，IP核应该使用通用的RTL代码来描述。通用代码的创建意味着应该尽可能避免FPGA上诸如存储、IO处理模块、时钟缓冲区等特定组件的实例化。这在某些领域是可能的，但由于各种不同原因并不总是能够实现。这样做的原因有很多，这里的一个例子是使用内存的实现：
• 存储组件。ASIC版本的RTL代码可能包含从ASIC的单元库中选择的、用于实现的实例化内存组件。这样的实例并不能直接映射到FPGA中，因为FPGA逻辑综合工具不能理解ASIC库文件；因此，来自单元库的组件是未知的，导致FPGA工具流中形成黑盒。因此，不能够将这种存储组件直接映射到FPGA上提供的存储结构。专门为ASIC原型而设计的专用FPGA逻辑综合工具可以读取ASIC单元库，但此类工具成本极高，并且必须单独购买。如果ASIC RTL包含来自某家供应商单元库的实例（例如TSMC 28），有必要通过使用FPGA上提供的存储结构来建模一个存储单元，该单元可提供与从ASIC单元库中选择的存储单元具有相同的功能。
• 参数化法。由于IP核被用于各种各样的应用中，因此希望能够用参数来进行描述。例如，能够从顶层控制整个IP核的存储大小通常是有意义的。这使得根据用户自己的需求来调整存储单元的大小和限制FPGA资源的使用会变得容易。
• 寄存器阵列。ASIC版本的RTL代码可能包含寄存器阵列，这些寄存器阵列在期望的配置中实现内存功能。这样的阵列通常不会被FPGA逻辑综合工具识别为内存，也不会映射到FPGA上可用的内存中，而是通过使用寄存器实现。但是，如果寄存器被用于实现而不是专用内存，则FPGA可实现的时钟频率可能会大大降低，因为存储器实现需要大量的寄存器。在将大内存描述为寄存器阵列的情况下，甚至可能无法将它们映射到FPGA上，因为FPGA上可用的寄存器数量根本不足以实现。
• 所需的存储单元。ASIC所需的存储是专门为目标应用创建的。FPGA中一对一的映射将导致所用逻辑门的数量大大增加，从而导致可实现的时钟频率降低。因此，在FPGA中使用ASIC内存通常是不可取的。一个例子是在对功能安全有特殊要求的安全关键型应用中使用ASIC，这种应用需要检查存储内容的正确性和由于外部影响而可能发生的错误。
例如，为了能够纠正α粒子的影响和由此产生的单粒子翻转（SEU），就需要实现纠错码（ECC）电路。另一方面，在FPGA中提供的块存储器默认具有这样的电路，如果有需要就可以通过特殊的逻辑综合功能属性激活该电路。实现带有额外逻辑的冗余电路几乎没有意义，同时也有可能因为组件片芯占用过高而无法达到所需的时钟频率。
图3：ASIC和FPGA的存储结构不同，时钟分配也有很大差异。使用锁相环/数字锁相环（PLL/DLL）电路可以简化这一点，但是专有的PLL/DLL电路都需要从相应的库中实例化。
当前所有的FPGA都包含PLL、DLL或两者的组合。这些电路支持多项时钟操作，如时钟失调、频率合成（例如，输入时钟频率的除法或乘法）和占空比编程。输入时钟和输出时钟可以相位对齐。虽然在ASIC中有相应的电路，但在功能上存在差异。如果需要PLL/DLL，则必须从FPGA制造商的相应库中对其实例化，并且必须确保时钟分配方案适应目标FPGA架构。
接下来：
本系列文章的目标是全面分享如何利用ASIC IP来实现完美的FPGA验证原型的经验，在上篇和本篇在讲述了如何了解ASIC IP与FPGA验证原型的区别并提前做相应规划和调整之后，还将详细介绍与之相关的另外四大主题。下一篇文章将介绍我们如何确保在FPGA上实现所需的性能？以及在时钟方面必须加以考量的因素有哪些？欢迎关注SmartDV全资子公司“智权半导体”微信公众号继续阅读。
最后，SmartDV在相关介绍和分析之后，还提供实际案例：用基于FPGA的方法来验证USB 3.2 Gen2x1 Device IP
USB 3.2 Gen2x1 Device IP：实现、验证和物理验证
USB 3.2 Gen2x1 Device IP的实现挑战
欢迎关注SmartDV全资子公司微信公众号
关于作者
Philipp Jacobsohn
Philipp Jacobsohn是SmartDV的首席应用工程师，他为北美、欧洲和日本地区的客户提供设计IP和验证IP方面的支持。除了使SmartDV的客户实现芯片设计成功这项工作，Philipp还是一个狂热的技术作家，乐于分享他在半导体行业积累的丰富知识。在2023年加入SmartDV团队之前，Philipp在J. Haugg、Synopsys、Synplicity、Epson Europe Electronics、Lattice Semiconductors、EBV Elektronik和SEI-Elbatex等担任过多个管理和现场应用职位。Philipp在瑞士工作。
Sunil Kumar
Sunil Kumar是SmartDV的FPGA设计总监。作为一名经验丰富的超大规模集成电路（VLSI）设计专业人士，Sunil在基于FPGA的ASIC原型设计（包括FPGA设计、逻辑综合、静态时序分析和时序收敛）和高速电路板设计（包括PCB布局和布线、信号完整性分析、电路板启动和测试）等方面拥有丰富的专业知识。在2022年加入SmartDV团队之前，Sunil在L&T Technology Services Limited担任过项目经理和项目负责人职位。Sunil在印度工作。
关于智权半导体
智权半导体科技（厦门）有限公司是SmartDV Technologies™在华设立的全资子公司，其目标是利用SmartDV全球领先的硅知识产权（IP）技术和产品，以及本地化的支持服务来赋能中国集成电路行业和电子信息产业。目前，SmartDV在全球已有300家客户，其中包括十大半导体公司中的七家和四大消费电子公司。
通过将专有的SmartCompiler™技术与数百位专家工程师的知识相结合，SmartDV可以快速、经济、可靠地定制IP，以实现您独特的设计目标。因此，无论您是为下一代SoC、ASIC或FPGA寻找基于标准的设计IP，还是寻求验证解决方案（VIP）来测试您的芯片设计，您都会发现SmartDV的IP非常容易集成，并在性能上可力助您的芯片设计实现差异化。
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