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ASIC原型构建:是做还是买?




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随着数字集成电路(IC)的设计变得更加复杂,验证其功能的工作也越来越复杂了。在能被设计的门电路数量和能在合理时间内被验证的门电路数量之间一直存在差距,而这些年来,EDA 厂商们在缩小这种差距方面几乎无所作为。
要 点
  ●加快的速度是RTL仿真的10至 50倍。 
  ●新仿真方法的速度是RTL仿真的1000至5000倍。 
  ●FPGA原型的速度可以达到 RTL仿真的10,000倍。 
  ●EDA厂商目前提供可简化构建原型的分区软件。 
  ●多家厂商提供FPGA原型构建电路板,价格比自建的更便宜。 


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  仅就验证设计而言,通常要占用集成电路(IC)设计师们多达 60% 至 80% 的工作时间,而且这个比例还在不断上升。为了帮助完成验证,很多设计机构已转向硬件辅助验证来构建设计原型。电路试验板是第一种硬件原型制作形式,并且在复杂化和流行程度方面一直在提高。Collett International (www.collett.com) 和 Deepchip.com (www.deepchip.com) 的调查表明:30% 至 40% 的 ASIC 项目涉及原型制作。现在可以利用现成的 FPGA 来构建自己的包含数百万门电路的原型,然而对于大型设计或复杂设计,也许就需要购买预先设计的原型系统,或者,在经费允许的情况下,租借或购买仿真加速器或电路内置仿真器。构建、租借或购买的决定取决于若干因素,其中包括所要求的时钟速度、容量、功能、成本、系统设计技能以及必须验证设计的时间(参考文献 1)。 
  原型构建系统 

  设计师和厂商们表示,制作 ASIC 和 SoC(单片系统)原型在本质上是向后迈出的一步——一些人半开玩笑地称之为将SoC变成了SoB(单板系统)。在构建原型系统的过程中,一些设计师利用各种分立元件、既有的 ASIC 和提供新功能的 FPGA 的组合来重建其 ASIC 的功能。而另一些设计师则构建甚至购买将设计方案编程到主板中的快速原型设计系统。主板上容纳了一组 FPGA 和子板,用来连接成独特的功能或更大的系统。

  工程师们可以设计或购买运行速度接近 250 MHz的 ASIC 原型构件系统,这个性能水平在某些情况下接近最终芯片的运行速度。这类原型系统比那些最高频率为 2 MHz 的商用仿真器快得多,比 RTL 仿真器快 110 倍。利用快速 ASIC 原型构件系统,设计师可以在系统环境中测试设计的功能,或者也可以进一步进行嵌入式软件的开发。

  当然,由于设计师们很难在这样的系统中查明系统缺陷的确切位置,ASIC原型的缺点是难以调试。各设计机构把基于仿真的广泛验证作为原型的基础。MIPS Technologies 公司利用几乎各种基于硬件的加速来验证新型微处理器内核设计,同时帮助客户集成内核(见附文《MIPS 无所不用》)。 

  自建原型系统

  目前,从头构建原型系统在某些方面比过去更容易了,而在另一些方面则更难了。当今 FPGA 的巨大容量和速度等级使得用户能够制作数百万门 ASIC 设计方案的原型。近年来,通过提供工具帮助工程师分割ASIC设计并将分割的模块编排到FPGA阵列中,Synplicity 和 Synopsys 等 EDA 公司已使原型设计工作变得容易了。目前,ASIC 原型构建软件的商品化已经刺激了快速原型业务,并使其成为了 Cadence Design Systems 和Mentor Graphics等传统仿真厂商的更强大的竞争对手。各厂商,特别是那些提供现成原型系统的厂商表示:那些考虑制造或购买原型的单位面临的一个大问题是——是否有时间、额外的拥有印制电路板设计和系统设计技能的工程人员以及预算来自行构建原型系统?

  Dini Group 的 ASIC 原型构建公司总裁 Mike Dini 强烈建议:购买快速原型产品比从头构建更便宜。Dini 在 10 年前是一名 ASIC 和 FPGA 设计顾问,由于当时需要一些验证工具,因此他开始构建原型电路板。他目前已经放弃了设计服务,转向了 ASIC 原型构建领域中一项蓬勃发展的业务。多家厂商目前都提供这类原型系统(表 1)。Dini 说:“我们在仿真领域的竞争对手说我们只是提供一堆FPGA 而已。我并不把它当作是一种侮辱。这就是我做的事情。我把数量极大的一堆 FPGA 放在电路板上,把它们组装在一起并进行调试,并把它们以比你自己制造更便宜的价格卖给你。”他表示:原型构件的价值可能无法衡量,但是,组装一块你在项目结束后可能会丢弃的专用电路板,可能会很浪费。他建议用户创建专门功能的子板,并从快速原型构建厂商那里购买原型系统的 FPGA 部件(见附文《购买理由》)。

表一,快速原型系统,加速器,仿真器,供应商:



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  Dini 等人表示:即使借助 Synplicity 和 Synopsys 等公司的自动分区软件,自己构建一个配备3 块以上 FPGA 的系统也可能很快变成一个噩梦,特别是如果你不熟悉印制电路板设计(尽管 EDA 厂商声称印制电路板设计不难,但它依然是一项艰巨任务)时,情况更是如此。Dini 说:“原型是一个关于‘是做还是买’的决定。如果采用拥有 700 根引脚的较大封装,那么在一块板上放置一片 Virtex FPGA 没什么问题,但是如果要放置 2、3 或 16 片的话,在设计、构建和测试上就会有很大的困难。例如,两片 700 引脚 FPGA 对于印制电路板自动布线器来说就太多了,因此必须做很多手工工作。使基于 FPGA 的自制 ASIC 原型变得复杂的困难临界值大约是 3。两片还不算困难,但是当你开始实施 3 片 FPGA 时,你就必须开始检查层数,检查各种部件在印制电路板中如何连接。”他指出:现代的 FPGA 非常适合于自动分区软件,并且多数快速原型构建厂商都定制各自的系统,以便配合 Synplicity 公司的 Certify 等产品。


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