大規(guī)模硬件仿真系統(tǒng)的編譯挑戰(zhàn)

引言

隨著集成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度的不斷提升，硬件仿真系統(tǒng)在現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)流程中扮演著越來(lái)越重要的角色?；?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/data/30-91/" target="_blank">FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的商用硬件仿真系統(tǒng)因其靈活性、全自動(dòng)化、高性能和可重構(gòu)性，成為驗(yàn)證大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的重要工具。然而，隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜度的增加，硬件仿真系統(tǒng)的編譯過(guò)程面臨著諸多挑戰(zhàn)。本文旨在探討基于FPGA的硬件仿真系統(tǒng)在編譯過(guò)程中所遇到的關(guān)鍵問(wèn)題，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。
硬件仿真的編譯流程涉及多個(gè)步驟，從硬件描述語(yǔ)言（HDL）的編譯到最終生成FPGA比特流，每個(gè)步驟都對(duì)最終仿真的性能和編譯時(shí)間有著重要影響。本文將詳細(xì)分析這些步驟中的優(yōu)化挑戰(zhàn)，并提出一些可能的解決方案，以幫助設(shè)計(jì)者在保證仿真性能的同時(shí)，最大限度地減少編譯時(shí)間。

1、硬件仿真的編譯流程
硬件仿真的編譯流程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括多個(gè)步驟：預(yù)處理、綜合、分割、布局布線、引腳分配、技術(shù)映射、FPGA布局和布線，直到最終為每個(gè)FPGA生成比特流。它起始于由Verilog、SystemVerilog或VHDL等硬件描述語(yǔ)言編寫的設(shè)計(jì)代碼。這些代碼雖然描述了電路的功能和行為，但并不能直接用于FPGA仿真，因此需要經(jīng)過(guò)一系列步驟的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化。
在編譯過(guò)程中，EDA工具需要進(jìn)行邏輯重構(gòu)，將設(shè)計(jì)中不可合成的部分轉(zhuǎn)換為可合成的電路。例如，SystemVerilog中的斷言（assertions）和時(shí)序檢查（timing checks）等高級(jí)語(yǔ)言特性需要被轉(zhuǎn)換為等效的硬件電路。此外，硬件描述語(yǔ)言與外部環(huán)境的交互（如DPI（Direct Programming Interface）功能、系統(tǒng)任務(wù)或系統(tǒng)功能）也需要通過(guò)定義良好的仿真器接口（如SCE-MI（Standard Co-Emulation Modeling Interface））轉(zhuǎn)換為特殊的電路模塊。
編譯過(guò)程其實(shí)就是將硬件描述語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為具有層級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩郌PGA硬件仿真系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)編譯流程中，最大化運(yùn)行性能和最小化編譯時(shí)間是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。EDA供應(yīng)商提供的硬件仿真系統(tǒng)通常提供多種優(yōu)化選項(xiàng)和技術(shù)，以幫助設(shè)計(jì)師在編譯過(guò)程中平衡這兩個(gè)方面。例如，通過(guò)優(yōu)化邏輯重構(gòu)、全局布局和布線等步驟，可以減少編譯時(shí)間并提高仿真性能。同時(shí)，合理的引腳分配和技術(shù)映射也可以確保設(shè)計(jì)在目標(biāo)FPGA上的正確實(shí)現(xiàn)和高效運(yùn)行。接下來(lái)我們將重點(diǎn)一一分析。
2、綜合挑戰(zhàn)（Synthesis）
在基于FPGA的硬件仿真領(lǐng)域，綜合（Synthesis）是將高級(jí)硬件描述語(yǔ)言（HDL）精確轉(zhuǎn)換為底層邏輯網(wǎng)表的關(guān)鍵步驟。此過(guò)程不僅要求將設(shè)計(jì)準(zhǔn)確映射到FPGA的邏輯資源上，還需應(yīng)對(duì)ASIC設(shè)計(jì)與FPGA架構(gòu)間存在的本質(zhì)差異。以下將詳細(xì)探討綜合過(guò)程中面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。
2.1邏輯優(yōu)化與資源分配
面對(duì)大型設(shè)計(jì)（如200億門級(jí)別），邏輯優(yōu)化對(duì)于提升性能至關(guān)重要。優(yōu)化策略包括：

• 持續(xù)傳播與無(wú)負(fù)載消除：通過(guò)傳播信號(hào)值并消除未使用的邏輯元素，以減少冗余，提升設(shè)計(jì)效率。
• 因式分解：將復(fù)雜的邏輯表達(dá)式分解為更簡(jiǎn)單的部分，便于FPGA資源的高效利用。
• 重新定時(shí)：調(diào)整邏輯操作的執(zhí)行時(shí)序，以優(yōu)化整體性能和資源占用。

在資源分配方面，需平衡多種資源類型，如內(nèi)存（DDR、BRAM、LUTRAM、FF）和算術(shù)運(yùn)算單元（DSP、進(jìn)位鏈、LUT）。由于FPGA資源有限，且不同資源在性能、功耗和面積方面存在差異，因此需根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行精心選擇。這通常涉及對(duì)設(shè)計(jì)需求的深入理解及對(duì)FPGA架構(gòu)的熟悉。
2.2時(shí)鐘域處理
ASIC設(shè)計(jì)與FPGA設(shè)計(jì)在時(shí)鐘域處理上存在顯著差異。ASIC具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜時(shí)鐘結(jié)構(gòu)的靈活性，而FPGA則依賴專用時(shí)鐘布線資源來(lái)保證低時(shí)鐘偏差。因此，在處理FPGA上的ASIC設(shè)計(jì)時(shí)，需特別注意時(shí)鐘管理：

• 派生時(shí)鐘的優(yōu)化：識(shí)別并優(yōu)化組合門控時(shí)鐘和順序生成時(shí)鐘，以減少對(duì)FPGA時(shí)鐘資源的占用。這通常涉及對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的重新分配和門控邏輯的優(yōu)化。
• 低功耗設(shè)計(jì)的考慮：在低功耗設(shè)計(jì)中，許多時(shí)鐘由使能控制電路進(jìn)一步門控。因此，需考慮斷電電路對(duì)時(shí)鐘的影響，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施。

2.3控制集縮減
FPGA中的LUT和FF通常按固定分組（如Xilinx的SLICE或Altera的LAB）組織。這些分組共享相同的控制信號(hào)（時(shí)鐘、同步啟用、設(shè)置/重置）。若技術(shù)映射后的網(wǎng)表包含過(guò)多具有唯一控制信號(hào)的觸發(fā)器，將導(dǎo)致控制集問(wèn)題，增加資源占用和布局布線難度。
為解決這一問(wèn)題，可采取以下策略：

• 控制信號(hào)共享：在可能的情況下，將具有相同控制信號(hào)的觸發(fā)器組合在一起，以減少唯一控制集的數(shù)量。這有助于降低資源占用并簡(jiǎn)化布局布線過(guò)程。
• 優(yōu)化技術(shù)映射：在映射過(guò)程中考慮FPGA架構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)化邏輯分配以減少控制集沖突。例如，可嘗試將邏輯更緊密地組織在一起，以減少跨不同控制集的邏輯連接。

通過(guò)實(shí)施上述優(yōu)化策略，可顯著提升FPGA硬件仿真的性能和效率。這將有助于縮短設(shè)計(jì)周期、降低開(kāi)發(fā)成本并提升產(chǎn)品質(zhì)量。
3、分割挑戰(zhàn)（Partitioning）
分割問(wèn)題是將DUT劃分為數(shù)百個(gè)部分，以便每個(gè)部分都可以在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)超過(guò)預(yù)先指定的邏輯利用率。傳統(tǒng)上，分割的目標(biāo)是最小化切割尺寸，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都認(rèn)為hMetis有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。因此，我們將列出基于FPGA的硬件仿真中特定的分割問(wèn)題的挑戰(zhàn)如下。
(1)對(duì)于具有數(shù)十億個(gè)門的DUT，在構(gòu)建用于分割的超圖時(shí)，必須盡可能多地利用設(shè)計(jì)層次。一個(gè)大小合理、接口信號(hào)數(shù)量最少的設(shè)計(jì)實(shí)例通常被選擇為一個(gè)不可分割的塊，并在超圖中表示為一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分。對(duì)于強(qiáng)調(diào)性能優(yōu)化的硬件仿真，必須擴(kuò)展此塊選擇標(biāo)準(zhǔn)以考慮性能方面。然而，在不形成分割的情況下識(shí)別時(shí)序關(guān)鍵塊需要與最終時(shí)序良好相關(guān)的有效時(shí)序估計(jì)。
(2)對(duì)于強(qiáng)調(diào)高性能的硬件仿真，切割大小并不是仿真性能的準(zhǔn)確指標(biāo)。與切割中的每個(gè)信號(hào)相關(guān)的延遲取決于兩個(gè)因素。第一個(gè)因素是該切割信號(hào)布線經(jīng)過(guò)的FPGA間跳數(shù)。FPGA間越多的跳數(shù)通常意味著越大的延遲。延遲的第二個(gè)因素是該切割信號(hào)布線中每個(gè)FPGA間的TDM比。不幸的是，在布線完成之前，這兩個(gè)因素的確切值都是不可用的。需要發(fā)明一個(gè)足夠準(zhǔn)確的延遲估計(jì)，以便分割器朝著性能目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。此外，這個(gè)延遲估計(jì)的計(jì)算應(yīng)該足夠快，這樣它就不會(huì)顯著減慢分割時(shí)間。
(3)FPGA P&R的成功需要合理的利用邏輯約束來(lái)進(jìn)行分割。然而，這往往不足以保證FPGA P&R的成功。因此，我們希望找到一個(gè)區(qū)域分布盡可能均勻的分割，但代價(jià)是分割質(zhì)量的下降，例如切割尺寸的增加。這種FPGA-P&R友好的分割應(yīng)該在不增加太多分割時(shí)間的情況下獲得。
(4)邏輯復(fù)制已被證明在提高性能方面是有效的?；诮o定的分割結(jié)果，我們可以進(jìn)行時(shí)序分析，提取關(guān)鍵路徑信息，并根據(jù)FPGA P&R的邏輯利用率約束決定復(fù)制的邏輯以獲得更好的性能。這里可以應(yīng)用性能驅(qū)動(dòng)的邏輯復(fù)制技術(shù)。此外，如果分割者能夠預(yù)見(jiàn)邏輯復(fù)制對(duì)性能優(yōu)化的潛力，并考慮到邏輯復(fù)制在分割過(guò)程中對(duì)性能的影響，那么進(jìn)一步的改進(jìn)是可能的。
4、全局布局挑戰(zhàn)（Routing）
在硬件仿真系統(tǒng)中，全局布局（Routing）是緊隨分割（Partitioning）之后的關(guān)鍵步驟，尤其在處理基于FPGA的大型設(shè)計(jì)時(shí)，布局問(wèn)題尤為復(fù)雜。布局被視為分割問(wèn)題的擴(kuò)展，它要求不僅確定邏輯實(shí)例的歸屬分割，還需明確這些實(shí)例在FPGA上的物理位置。這涉及性能優(yōu)化的多重挑戰(zhàn)，如減少布線擁塞、平衡信號(hào)跳數(shù)等。
橋接FPGA連接不同板或單元中的FPGA，增加了布線的復(fù)雜性。由于橋接FPGA通常面臨更多的布線跳過(guò)，因此最好在橋接位置布局邏輯較少的分割，以避免布線擁塞。然而，這又與性能優(yōu)化相沖突，因?yàn)楦嘈盘?hào)連接到其他板或單元的分割能減少布線跳數(shù)。因此，需在性能與布線易用性間做出權(quán)衡。
布線圖是布線算法遍歷以找到連接路徑的基礎(chǔ)。在構(gòu)建布線圖時(shí)，需考慮物理FPGA之間的連接表示，這并非易事。為了優(yōu)化性能，需將物理FPGA之間的引腳對(duì)進(jìn)一步分組，以便同一組的引腳對(duì)由具有類似時(shí)序關(guān)鍵性的布線共享。這種分組需平衡性能與布線編譯時(shí)間，且每次布線拆分和重新布線時(shí)都需調(diào)整引腳對(duì)的拆分，以反映延遲變化。
性能不穩(wěn)定是布線問(wèn)題的另一大挑戰(zhàn)，源于引腳對(duì)分裂變化導(dǎo)致的TDM比率大幅波動(dòng)。此外，布線資源無(wú)容量限制，但出于性能考慮，應(yīng)限制使用相同引腳對(duì)的布線數(shù)量。這使得現(xiàn)有的基于協(xié)商的布線算法無(wú)法直接應(yīng)用。同時(shí)，共享同一引腳對(duì)的所有布線具有相同的TDM延遲，這增加了布線優(yōu)化的復(fù)雜性。
由于布線延遲取決于其他布線的特性，增量定時(shí)更新在傳統(tǒng)布線問(wèn)題中的適用性降低。在布局過(guò)程中，改變共享引腳對(duì)的布線延遲可能需要更新多個(gè)布線的延遲，而非僅限于被撕裂和重新布線的信號(hào)。
全局布局在大規(guī)模硬件仿真系統(tǒng)的編譯過(guò)程中面臨多重挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需開(kāi)發(fā)新的布局算法和技術(shù)，以平衡性能、布線易用性和編譯時(shí)間。同時(shí)，還需考慮如何有效處理性能不穩(wěn)定、無(wú)容量限制的布線資源以及增量定時(shí)更新等獨(dú)特問(wèn)題。
5、引腳分配挑戰(zhàn)（Pin Assignment）
引腳分配是硬件仿真系統(tǒng)編譯過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，發(fā)生在布線完成后。其核心任務(wù)包括信號(hào)分組與引腳映射，旨在優(yōu)化仿真性能并確保FPGA布局與布線（P&R）的成功率。
信號(hào)分組涉及將具有相同TDM（時(shí)分復(fù)用）比率的布線平均分配到不同的LVDS（低壓差分信號(hào)）引腳對(duì)上。例如，若布線步驟產(chǎn)生多條TDM比率相同的布線，這些布線需被均勻分組，每組共享同一LVDS引腳對(duì)。這一步驟對(duì)于平衡信號(hào)負(fù)載和減少布線擁塞至關(guān)重要。
引腳映射決定每個(gè)信號(hào)組中的信號(hào)應(yīng)使用哪個(gè)物理LVDS引腳對(duì)進(jìn)行傳播。這要求了解物理FPGA內(nèi)LVDS引腳的位置及兩個(gè)連接FPGA之間LVDS引腳對(duì)的連接性。例如，在包含多個(gè)線性排列管芯的FPGA中，引腳映射需考慮管芯對(duì)之間的LVDS引腳對(duì)可用性，并盡量減少管芯邊界交叉次數(shù)，以降低布線傳播延遲并提高仿真性能。以上挑戰(zhàn)如何解決？

• 信號(hào)組順序確定：在包含多個(gè)FPGA和LVDS引腳對(duì)連接的設(shè)計(jì)中，確定執(zhí)行引腳分配的信號(hào)組最佳順序是復(fù)雜的。這要求綜合考慮性能優(yōu)化和布線擁塞避免。
• 并行引腳分配：對(duì)于大型設(shè)計(jì)，并行執(zhí)行引腳分配以提高效率是必要的。然而，實(shí)現(xiàn)最大并行性同時(shí)保持最小性能損失是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要采用有效的多線程策略。
• 時(shí)序圖構(gòu)建：為大型設(shè)計(jì)和更新時(shí)間構(gòu)建完整的時(shí)序圖非常耗時(shí)。因此，在時(shí)間預(yù)算限制下解決并行引腳分配問(wèn)題是必要的。
• FPGA P&R成功率：引腳分配結(jié)果應(yīng)確保FPGA P&R的高成功率。這要求避免在同一FPGA內(nèi)非常接近地使用過(guò)多具有高TDM比的信號(hào)組，以防止本地布線擁塞。

6、FPGA P&R面臨的挑戰(zhàn)
FPGA P&R過(guò)程是決定FPGA設(shè)計(jì)時(shí)間和成功率的關(guān)鍵因素。這一過(guò)程受到多種因素的影響，主要包括FPGA內(nèi)部路由結(jié)構(gòu)的連接性、FPGA供應(yīng)商的封裝、布局和布線算法，以及網(wǎng)表屬性如總輸入引腳、平均扇出、再收斂路徑、Rent指數(shù)和常數(shù)等。這些因素共同作用于FPGA P&R過(guò)程，影響其實(shí)施的效率和成功率。
為了準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)上述模型中的每一個(gè)因素，我們需要采用綜合的方法。首先，對(duì)于FPGA內(nèi)部路由結(jié)構(gòu)的連接性，我們需要深入了解FPGA的架構(gòu)特性，包括其邏輯單元、布線資源和互連模式等。這有助于我們?cè)u(píng)估不同設(shè)計(jì)的布線需求和資源利用率。其次，針對(duì)FPGA供應(yīng)商的封裝、布局和布線算法，我們需要分析這些算法的工作原理和性能特點(diǎn)，以便更好地理解和優(yōu)化它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。最后，對(duì)于網(wǎng)表屬性，我們需要利用先進(jìn)的EDA工具來(lái)提取和分析這些屬性，以便在P&R過(guò)程中做出更明智的決策。
在并行運(yùn)行FPGA P&R任務(wù)時(shí)，為了最大限度地減少FPGA編譯時(shí)間，我們可以采取以下優(yōu)化策略：
一方面，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行早期預(yù)測(cè)和反應(yīng)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)和模式來(lái)預(yù)測(cè)潛在的P&R失敗，并在早期階段采取措施進(jìn)行干預(yù)。例如，我們可以訓(xùn)練一個(gè)分類模型來(lái)識(shí)別可能導(dǎo)致P&R失敗的特定設(shè)計(jì)特征或條件，并在檢測(cè)到這些特征時(shí)自動(dòng)調(diào)整布局或布線策略。這種方法可以顯著提高P&R過(guò)程的魯棒性和效率。
另一方面，實(shí)施自適應(yīng)的P&R策略以最大化成功機(jī)會(huì)。在并行運(yùn)行多個(gè)P&R任務(wù)時(shí)，我們可以監(jiān)控每個(gè)任務(wù)的進(jìn)展和性能，并根據(jù)實(shí)時(shí)反饋來(lái)調(diào)整策略。例如，如果某個(gè)任務(wù)進(jìn)展緩慢或遇到難以解決的問(wèn)題，我們可以暫停該任務(wù)并啟動(dòng)更多的P&R工作來(lái)探索其他可能的解決方案。這種自適應(yīng)的方法可以確保我們?cè)谟邢薜臅r(shí)間內(nèi)獲得最大的成功機(jī)會(huì)，同時(shí)減少不必要的資源消耗和時(shí)間浪費(fèi)。
7、小結(jié)
大規(guī)模硬件仿真系統(tǒng)的編譯流程是一個(gè)涵蓋綜合、分割、布局布線、引腳分配、技術(shù)映射及FPGA布局布線等多個(gè)緊密相連且至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直至最終生成適用于每個(gè)FPGA的比特流。這一系列步驟不僅彼此依存，而且各自都承載著獨(dú)特的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)對(duì)硬件仿真系統(tǒng)的性能與可靠性有著直接且深遠(yuǎn)的影響。
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們必須全面審視設(shè)計(jì)規(guī)模、性能標(biāo)準(zhǔn)、資源約束以及算法復(fù)雜度等多個(gè)維度，不斷探索和優(yōu)化相關(guān)技術(shù)。正是基于這樣的背景，硬件仿真技術(shù)不斷取得突破，逐步克服了這些難題，引領(lǐng)硬件仿真系統(tǒng)朝著更高效率與更強(qiáng)可靠性的目標(biāo)邁進(jìn)。
在這一過(guò)程中，思爾芯新一代國(guó)產(chǎn)硬件仿真系統(tǒng)就針對(duì)編譯過(guò)程做了一系列的技術(shù)優(yōu)化。該系統(tǒng)憑借其靈活的2億至96億門配置、高達(dá)4-6MHz的系統(tǒng)運(yùn)行性能，為用戶提供了應(yīng)對(duì)復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)仿真需求的強(qiáng)大支持。同時(shí)，其高效的全自動(dòng)編譯技術(shù)與增量編譯加速功能，更是將編譯效率提升至8000萬(wàn)門/小時(shí)以上，為設(shè)計(jì)師贏得了寶貴的時(shí)間資源，進(jìn)一步提升了硬件仿真系統(tǒng)的實(shí)用性和競(jìng)爭(zhēng)力。這一系列的創(chuàng)新亮點(diǎn)，不僅展現(xiàn)了思爾芯在硬件仿真技術(shù)領(lǐng)域的深厚積累，也為整個(gè)行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。