使用向外擴展的FPGA原型設計以趨近實際晶片

本文原文由Rob Parris張貼

英文原文：Approximating Silicon with Scaled-Out FPGA Prototyping Farms

在其最近的《Deep Cycles》文章中，產業意見領袖Joe Convey與Bryan Dickman談論到「可擴展性」(scale-up)系統層級的驗證能力的需求，是因為ASIC的趨勢已朝向在關鍵市場區隔中提供數十億閘道設計，諸如人工智慧/機器學習(AI/ML)、各種企業伺服器、儲存、網路連結、5G、物聯網(IoT)、汽車業等。同時，有一種「向外擴展」(scale-out)能力的需求，以實現數千萬億個(可能更多)的累計晶片前驗證週期(accumulative pre-silicon validation cycles)，即Joe與Bryan所談論的「深度週期」(Deep cycles)。因應較以往更大的系統單晶片(SoC)覆蓋區，我們確實需要向外擴展，但爲什麽我們須要在晶片前(pre-silicon)執行這麽多的驗證週期呢？

由於各驗證平台之間存在巨大的速度差距，諸如模擬與實際晶片，當您在推論有關通常執行晶片前的驗證週期為多少時，就出現該項問題。即使是從自有(on-prem)或雲端運算向外擴展，都無法縮短差距。不要忘了，所生產的晶片，將可能會在一個數個GHz(multi-GHz)的頻率下進行運作，且其將會有數百萬個晶片部署於最終產品中！

近似於晶片輸送量等級

如同Joe與Bryan所指，現代化的FPGA原型設計(FPGA prototyping)系統，可使您在接近真實晶片速度上一或二個數量級。舉例來說，假設你的FGPA速度須要達到50 MHz的速度，那麼對應於20個執行個體時，就各週期中的輸送量而言，總計共具有1-GHz的能力。因此考量多個系統(即一個FPGA prototyping farm)，就具有相當於一個或多個的晶片裝置可供運用。此為在無實際晶片的情況下，可達成最接近於晶片運算量的近似值！

使用此向外擴展的能力，可同時支援軟體開發人員與系統驗證團隊。在軟體開發團隊專注於軟體開發與軟體驗證的同時，該系統驗證團隊可建構一項硬體測試計畫，其涵蓋大量真實世界的軟體，諸如作業系統(OS)、韌體、裝置驅動程式、應用程式、比分程式(benchmarks)、測試套件與應力測試承載。總體的硬體與軟體測試的排列組合將會很巨大，須要一項策略以涵蓋該所有的測試排列組合，確保所有已知的使用案例都可以被測試到。因此會發現此週期的要求是如何的快速增長，且須要一種有條理的方法學，以完成該系統的驗證測試計畫，這需要多個FPGA prototyping 以及多次的併行測試執行才可以達到。而軟體承載會消耗許多時間。僅Android執行就須要300億個clock cycle進行啟動，在一個執行速度2-GHz裝置上須要15秒，但在一個執行速度50-MHz 的FPGA僅需要10分鐘，這個時間甚至不夠喝杯咖啡！此外，若想要將FPGA Prototyping環境與現實世界的 I/O 對接，以便擁有與現實軟體承載(software payload)一致的系統流量配置文件(system traffic profiles)，那麼就別太期望能在此階段發現大量的硬體錯誤。若您想能達到這個效果，就可能需要重新回到模擬(simulation)或正規(formal)的驗證環境。在這個環境中，我們的目標仍為強力尋獲所有較易發現以及大多數難以發現的硬體錯誤。但僅在該系統層級處執行真實的軟體承載時，才會發現某些系統級的錯誤。而當確實在此發現錯誤，將可以避免一個嚴重的bug進入該晶片中。眾所周知，在後晶片進行修復錯誤的成本將會非常昂貴。

HAPS-100達成向上擴展與向外擴展的挑戰

在軟體開發與系統驗證人員對於FPGA prototyping更高容量的需求下，有更多的趨勢是將FPGA prototyping 集中管理，即所謂FPGA Farm的形式。而這正是新思科技在市場上先進的客戶群中發現到的，許多客戶現在透過使用HAPS®解決方案來達成向外擴展其FPGA prototyping的能力。HAPS®-100 Prototyping系統模組(如上所示)，是被設計成可同時適用於桌面式與機架式的伺服器配置，在一個標準的19吋寬42U (6呎高)的設備機架中，可支援高達8個模組。如此各原型設計系統可簡易的與在一個伺服器機房中的computing farm、網路連接硬體與其他各電子系統同處一地。

伴隨集中FPGA prototyping資源而來的其他優勢，諸如支援多個用戶、達成高資源利用率水平，以及在維護、資源分配與容量管理方面管理該資產。HAPS Gateway提供所有必要的工具，以有效的管理原型設計資產，支援多個分散的各用戶。一個集中式的prototyping farm，能夠賦予高出甚多的使用率、降低總原型設計成本。8個HAPS-100模組支援高達32個用戶，其可能被分配在不同的團隊與多個地理位置之中。憑藉此種能力，可同時支援軟體開發團隊與系統驗證團隊。

HAPS Prototyping軟體係建構於新思科技在FPGA synthesis中二十多年的經驗上，並使用直接連接架構的時序優化以提供最高的功能。新思科技的客戶亦受益於新思科技DesignWare® IP原型設計套件，其對於加速IP整合、軟體開發與系統驗證至關重要。