揭秘FPGA設(shè)計(jì)難題：芯片出身也能影響性能表現(xiàn)

作者：隱達(dá)

（一）昨夜西風(fēng)凋碧樹。獨(dú)上高樓，望盡天涯路

2000年的時(shí)候，做設(shè)計(jì)基本都是使用Xilinx公司的Virtex和Virtex-E系列芯片。那時(shí)候Altera技術(shù)實(shí)力還比較弱，基于Altera的芯片做設(shè)計(jì)是要被大家diss的。某天晚上大概十點(diǎn)多了吧，我正如癡如醉的沉浸在編碼的快感當(dāng)中。主管悄無聲息的站到了我身后，我從顯示器中看到了隱約的影子，轉(zhuǎn)頭一看果然是他老人家。

主管神色凝重，眉頭緊蹙。我在腦子里迅速回顧了一下自己最近的所作所為，確信沒干什么罪大惡極、自絕于人民的壞事兒，用顫抖的語氣小心翼翼的問：老大，您找我？老大的神色迅速地轉(zhuǎn)換，分明在說：蠢貨，你又不是什么萌妹子，要是沒事兒你以為我老人家愿意屈尊站到你這兒么？after一個(gè)藍(lán)衣女子般的風(fēng)情萬種的白眼之后，老大終于開腔了。

“我們學(xué)理科的都不信鬼神對(duì)吧？”大哥，你這是什么開場白？！我那會(huì)兒不過才工作兩年多，純潔的像一張黑不溜秋的白紙，根本識(shí)別不了您這是準(zhǔn)備給我刨什么坑好吧，為啥你要給我出這樣的難題？老大露出了一些不耐煩：“幾個(gè)月之前到現(xiàn)在，有一批單板邪門兒了，有的工作正常，有的就不斷的出亂碼。經(jīng)過大家夜以繼日沒白沒黑嘔心瀝血玩兒命的加班定位之后，大家一致認(rèn)為問題出在這塊單板上的FPGA上”。早說嘛，F(xiàn)PGA我熟啊?！袄洗螅瑔栴}既然都定位了，那就解決嘛”。老大露出了詫異的神情：我X，你這貨是怎么混進(jìn)我司的？回頭老子要找當(dāng)初面試你的人算賬！老大深吸了一口氣，帶著“老子再忍你十秒鐘的神情”繼續(xù)說：“這個(gè)FPGA一共9000多接近一萬行代碼，最關(guān)鍵的是，設(shè)計(jì)這個(gè)FPGA的同事三周前就離職了?，F(xiàn)在雖然確定了問題出在這個(gè)FPGA，但是究竟是什么問題還不知道。所以呢，大家商量了一下，決定暫時(shí)把你抽調(diào)出來，全力投入這個(gè)事情。一呢，要搞清楚到底是什么問題，二呢，把問題徹底解決掉”。

要不怎么說當(dāng)年的我就是純潔啊，要是放到現(xiàn)在，這肯定是一個(gè)絕佳的跟老大討價(jià)還價(jià)、多給自己爭取個(gè)仨瓜倆棗的好機(jī)會(huì)啊。彼時(shí)單純（其實(shí)就是弱智）的我卻覺得天大的展示自己身手的時(shí)刻終于到來了，于是欣然接受。老大神情輕松了一些，但還帶著少許疑惑：這貨不知道行不行，但愿不要把老子也坑了。然后溜溜達(dá)達(dá)的走了。

（二）衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴

我一夜無眠，小心臟一直在忽冬忽冬滴亂跳。第二天我一頭扎進(jìn)了封閉的實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室里堆了好多單板，好的一堆，壞的一堆，然后各種儀器和電腦。整整一周，我都在實(shí)驗(yàn)室里瞎折騰，除了一遍又一遍的證實(shí)了問題現(xiàn)象確實(shí)如老大所描述的，然后就是看那9000多行的HDL代碼。寫代碼的同事不知道是故意的還是習(xí)慣如此：注釋少的可憐、設(shè)計(jì)文檔和實(shí)際代碼差異極大（文檔在說水果里面桃子最好吃，代碼寫的是大飛機(jī)C919很威武）、變量的命名也毫無規(guī)律，后綴_addr的變量居然是數(shù)據(jù)總線，而后綴_data的變量才是地址總線。我心說：“哥啊，地球人都知道花花轎子人抬人。你我素昧平生、素不相識(shí)、萍水那個(gè)從未相逢，可為神馬你就知道我要被派來收拾你的爛攤子，這么多花樣來收拾我涅？”

一周毫無進(jìn)展，我很沮喪。渾渾噩噩的過了周末（其實(shí)也就是周日一天），周一繼續(xù)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。開放辦公區(qū)里鶯歌燕語，其樂融融，就我一個(gè)人傻兮兮的在實(shí)驗(yàn)室里古佛青燈兼顧影自憐，相當(dāng)稱得上凄凄慘慘戚戚。中間老大時(shí)不時(shí)的過來關(guān)心我一下，其實(shí)就是監(jiān)工外加檢查進(jìn)度?？墒菦]進(jìn)度可言：我根本不知道問題出在哪里，這么短的時(shí)間把小一萬行HDL代碼都看明白也不可能。如果我能的話，那我應(yīng)該去做老大的老大了（那會(huì)兒大家都崇拜技術(shù)牛人，普遍覺得誰技術(shù)牛誰就應(yīng)該做老大）。

一轉(zhuǎn)眼就到周五下午了，我在實(shí)驗(yàn)室里垂頭喪氣。雙手捂著臉，開始埋怨自己為什么接任務(wù)的時(shí)候才出現(xiàn)智商余額不足的fatal error。大顯身手是徹底的forget about it了，弄不好倒可能因此把自己給葬送了。繼而開始埋怨主管：我一直是順民，挺聽話也挺出活，你為啥要給我刨這么大的一個(gè)坑涅？百撕不得奇解啊。一頭霧水兼百無聊賴，我拿起一塊單板，盯著那片F(xiàn)PGA。嗯，這里寫著Malaysia，沒想到Xilinx在大馬還有工廠。換一塊單板，嗯，還是Malaysia。這不是廢話么，買一批至少也是幾千片，當(dāng)然都是Malaysia。正要仰天長嘆“天亡我也，非我不能也”，忽然瞥見另一塊單板的FPGA上印的似乎不是Malaysia，拿起一看，果然印的是Taiwan。終于找到一點(diǎn)有意思的事情做了，于是再拿一塊，嗯，Taiwan，再拿一塊，嗯大馬。拿著拿著，忽然發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律：從那堆壞板子里拿的都是印著Malaysia；從那堆好板子里拿的都是印著Taiwan。

（三）眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處

工程師都知道，尋找好板和壞板之間的“差異”是定位問題的利器之一啊。因此當(dāng)時(shí)雖然沒有欣喜若狂，但是也隱隱看到了一絲曙光。

我沖出實(shí)驗(yàn)室，一溜小跑去了焊板實(shí)驗(yàn)室。找到了焊板的同事，讓他現(xiàn)場給我焊兩塊單板，一塊必須用產(chǎn)自大馬的FPGA，一塊必須用產(chǎn)自臺(tái)灣的FPGA。那個(gè)老兄很奇怪的看了我一眼，然后又一眼。后來我才想明白估計(jì)我是第一個(gè)在乎芯片產(chǎn)地的怪咖。

我就站在他旁邊，看著他工作，覺得時(shí)間過得奇慢無比。拿到了焊好的兩塊板子，又以百米沖刺的速度殺回實(shí)驗(yàn)室，隱隱約約聽到有同事在抱怨：發(fā)哪門子神經(jīng)，刮這么大的風(fēng)。我以迅雷不及掩耳盜鈴之勢，先把臺(tái)灣板子安裝好，上電啟動(dòng)、加載、運(yùn)行，果然是好的；拆掉臺(tái)灣，換上大馬板子，上電啟動(dòng)、加載、運(yùn)行，果然出誤碼了。問題確診了！為了保險(xiǎn)起見，我從壞板和好板堆里各取了兩塊單板進(jìn)行了驗(yàn)證，現(xiàn)象是一致的。

此時(shí)距離下班也就十幾分鐘了，我趕緊去了老大的工位，強(qiáng)壓著雞凍滴小心情，向老大匯報(bào)：“老大，告訴生產(chǎn)那邊，發(fā)貨只能用產(chǎn)自臺(tái)灣的芯片，馬來西亞的堅(jiān)決不能用。我懷疑產(chǎn)自馬來西亞的芯片的容差小，產(chǎn)自臺(tái)灣的芯片的容差比較大。而設(shè)計(jì)本身肯定存在時(shí)序打擦邊球的情況，導(dǎo)致使用產(chǎn)自馬來西亞芯片的單板會(huì)出誤碼，而使用產(chǎn)自臺(tái)灣的芯片則沒有問題。到底是哪里的時(shí)序存在擦邊球的隱患，我還需要進(jìn)一步熟悉代碼，尋找之而修改之而長治久安也”。老大難得的露出了笑容：“嗯，不錯(cuò)不錯(cuò)！這兩周辛苦了，回去好好休息，下周全力解決問題。啊，對(duì)了，你該刮胡子了?！?/p>

周末跟老婆（那時(shí)候還是女朋友）去搓了一頓大餐，逛街，看電影，累得半死，但是心情那是相當(dāng)?shù)挠淇臁?/p>

我從實(shí)驗(yàn)室回到了工位，在感受人間煙火氣的同時(shí)，全力看代碼。認(rèn)真的看了一整天之后，我發(fā)現(xiàn)前同事對(duì)于“同步”、“組合邏輯嵌套層次不能過多”等設(shè)計(jì)原則完全不care，隱患到處都是，要想徹底的解決這些隱患，只有一個(gè)辦法：推倒重來。我去找老大說明了想法，老大說：“要不要這么夸張？勞資派你去解決問題，你解決問題就是了，搞這么大工程出來，有必要么？”我說：“老大，我以一個(gè)工程師滴半生清譽(yù)擔(dān)保：如果不推倒重來，問題根本不能徹底解決。”老大無奈的揮了揮手，說話的同時(shí)目露兇光兼咬牙切齒：“是否推倒你來定。但素，市場那邊給出的預(yù)測是最多三個(gè)月內(nèi)，這塊單板就會(huì)迎來發(fā)貨高峰，到那時(shí)無論如何也要保證FPGA不出任何問題。你有信心滴干活？”“餓夫考斯啊老大，沒有金剛鉆，不攬瓷器活啊”，我心說：“你要是答應(yīng)給我加五百塊工資，沒準(zhǔn)兒我敢承諾一半的時(shí)間就給你搞出來”。

結(jié)果不到三個(gè)月，我的全套重寫的代碼就完成了，編譯、加載、測試：不論是產(chǎn)自臺(tái)灣的芯片還是馬來西亞的芯片，完全沒問題。老大不放心，特地多找了幾塊焊著馬來西亞芯片的板子一遍又一遍的測試，結(jié)果仍然是no problem at all。

老大笑靨如花（港版那個(gè)），眼睛瞇成了一條縫兒：“小樣兒，行??！”我只顧嘿嘿傻笑，結(jié)果忘了趁熱打鐵跟老大提加薪。曾經(jīng)有一個(gè)機(jī)會(huì)擺在我面前，我沒有珍惜。如果有重來一次的機(jī)會(huì)，我特么會(huì)加一個(gè)十萬光年的期限。

過了沒多久，Xilinx公司也發(fā)來了報(bào)告：由于馬來工廠的某個(gè)車間頂部一個(gè)窗戶沒關(guān)嚴(yán)，導(dǎo)致車間純凈度不夠，所以那段時(shí)間生產(chǎn)的芯片盡管各項(xiàng)指標(biāo)都在合格范圍內(nèi)，但是都在邊緣，從而容差能力都比較低。公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并做了相應(yīng)處理，之后生產(chǎn)的芯片從一致性方面跟臺(tái)灣產(chǎn)的芯片沒有區(qū)別了。

Well，這就是我從業(yè)生涯中碰到的“芯片也要看出身”的“靈異”事件。給我的印象是如此之深，18年后我仍然記得清清楚楚。問題解決是在2000年的9月份，第二年，我慘遭表揚(yáng)，獲得了某公司的最高榮譽(yù)：XXXX獎(jiǎng)。

后記：

1.真實(shí)問題定位的過程很痛苦，也比文中描述的要復(fù)雜，因?yàn)槟桥鷨伟迨褂玫腇PGA芯片還有另外一個(gè)產(chǎn)地：韓國。在定位問題的過程中，臺(tái)灣和韓國的芯片加載原同事的設(shè)計(jì)都沒有問題，馬來產(chǎn)的就不行。于是比對(duì)、比對(duì)、再比對(duì)，最終確定了問題出在馬來產(chǎn)的芯片上。

2. 我重寫后的設(shè)計(jì)完全不區(qū)分芯片的產(chǎn)地。采用原同事設(shè)計(jì)、已經(jīng)發(fā)貨的那批單板，使用產(chǎn)自臺(tái)灣、韓國的芯片而暫時(shí)沒出問題的，總量大概幾千塊吧，這些單板在條件發(fā)生變化時(shí)（比如溫度變化、電壓變化），出誤碼是必然的。好在那時(shí)候運(yùn)營商對(duì)國產(chǎn)廠家都比較寬容，用服的同事找了各種機(jī)會(huì)，神不知鬼不覺的對(duì)這些單板上的FPGA重新加載了新版本，徹底消除了隱患。

3. 9000多行代碼，我用了大概70個(gè)工作日進(jìn)行了重寫，計(jì)算開發(fā)效率，大約是130行/人天。實(shí)際上，我做過個(gè)人職業(yè)生涯的不完全統(tǒng)計(jì)：使用HDL開發(fā)FPGA，從全流程的角度來計(jì)算（從需求分析到最終發(fā)布），效率不會(huì)超過20行/人天，跟軟件開發(fā)效率大致類似。當(dāng)然，隨著新的設(shè)計(jì)語言以及工具等方面的進(jìn)步，開發(fā)效率會(huì)逐步提升是毫無疑問的。

4. 文檔真的很重要、很重要、很重要。很多人會(huì)說：整個(gè)設(shè)計(jì)（模塊）我閉著眼睛都能知道哪行代碼是干嘛的，文檔意義不大。但素，人的記憶是會(huì)衰退的。如果設(shè)計(jì)天衣無縫、沒有任何問題，在整個(gè)生命周期里沒有任何升級(jí)或者功能變動(dòng)，那么文檔也許沒那么重要。但素，大家想一想，對(duì)于FPGA來說，上述條件全部滿足的概率是不是和行星撞地球差不多？我?guī)缀踔貙懥苏麄€(gè)設(shè)計(jì)文檔，基本能保證文檔描述的是西施，而設(shè)計(jì)至少是鳳姐。

------

本文作者：隱達(dá)，阿里云資深專家，花名的意思就是做人隱，做事達(dá)。業(yè)余時(shí)間喜歡看美劇和讀書，尤其是歷史書；還喜歡喝點(diǎn)小酒侃大山，喝酒只喝啤酒和威士忌；酒量比較差，但是酒品還過得去。我在某通信公司工作了18年，其中十年的大規(guī)模FPGA/ASIC開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，剛剛加入阿里云，負(fù)責(zé)FPGA/ASIC異構(gòu)計(jì)算。

審核編輯：黃飛