演示ASIC IP性能與質(zhì)量需要有FPGA中立的設(shè)計流程

設(shè)計新系統(tǒng)級芯片（SoC）產(chǎn)品的公司都面臨成本和效率壓力，以及實現(xiàn)更高投資回報的持續(xù)市場壓力，從而導(dǎo)致了工程團(tuán)隊縮編、設(shè)計工具預(yù)算降低以及新產(chǎn)品上市時間規(guī)劃縮短。這使得設(shè)計復(fù)雜SoC的公司愈發(fā)傾向于為其設(shè)計中的大多數(shù)模塊購買IP核授權(quán)，而不是構(gòu)建自己的內(nèi)部定制版本。選擇合適的IP核是這種開發(fā)范式的基本挑戰(zhàn)；同時，評估和展示這些內(nèi)核的方法對購買者和開發(fā)人員同樣重要。

事實上，市面上的IP核都具有多樣化的功能和可選產(chǎn)品。并且，即便用戶已經(jīng)查閱了有關(guān)潛在供應(yīng)商和產(chǎn)品的目錄，但在IP質(zhì)量上也仍然有很大的差別。將真正可靠且勝任的IP與有缺陷、未經(jīng)過充分測試且缺乏真實性能的IP區(qū)分開來的訣竅，是參照活躍的成功用戶經(jīng)驗。

嵌入式視覺是一個使用案例仍在開發(fā)的、且許多團(tuán)隊在設(shè)計項目還未得到充分推進(jìn)之前都不知道其真實需求的領(lǐng)域。當(dāng)開始進(jìn)行視覺處理時，CogniVue公司關(guān)注的不僅是有最高質(zhì)量的IP可提供，而且還包括是否能夠確保滿足當(dāng)前和未來對最廣泛應(yīng)用的需求。這些應(yīng)用包括能夠?qū)χ苓吺澜邕M(jìn)行觀察并做出反應(yīng)的小型智能攝像頭、能夠觀測并避免發(fā)生事故的汽車、裝在電視上能夠進(jìn)行臉部和手勢識別的攝像頭，以及能夠?qū)χ車澜邕M(jìn)行觀察并給出增強視野的智能手機。要使這種嵌入式視覺技術(shù)的新天地成為可能，就需要有一種選擇和集成IP的新方法。

圖1：采用一個CogniVue APEX2-642內(nèi)核的、支持視覺的SoC架構(gòu)實例。

為了有效地實現(xiàn)嵌入式圖像的流水線處理和視覺處理算法，CogniVue設(shè)計了如圖1所示APEX圖像識別處理內(nèi)核。圖像識別處理器（ICP）已經(jīng)在量產(chǎn)之中，并且能夠用于包括汽車攝像頭（例如Zorg Industries公司為AudioVox公司提供的攝像頭）以及一些新型可穿戴式消費類產(chǎn)品（例如NeoLAB Convergence公司的Neo. 1智能簽字筆，如圖2所示）在內(nèi)的許多應(yīng)用。使用專為圖像處理所設(shè)計的處理器所帶來的優(yōu)勢，是推動這些IP不斷地集成到這些消費類應(yīng)用中的動力。例如，一個APEC這樣的內(nèi)核與傳統(tǒng)的處理器架構(gòu)相比，能夠在單位面積、單位功耗內(nèi)為視覺處理提供好100倍的性能。對于NEO.1產(chǎn)品，它能夠在維持非常低功耗的同時，提供120fps速率的處理能力，使得這款電池供電的設(shè)備能夠在一次充電后持續(xù)工作數(shù)天。

圖2：CogniVue APEC內(nèi)核為NeoLABCovergence公司的NEO.1智能簽字筆提供了強大的處理能力。

要實現(xiàn)這種性能，需要了解有關(guān)圖像處理需求的基本知識，并采用一種面向客戶產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域需求的詳盡的測試和演示方法。任何內(nèi)核在交付之前，都需要進(jìn)行廣泛的認(rèn)證，尤其是在諸如汽車等需要符合行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 26262 "Road vehicles – Functional safety"）的市場中。

評估IP

雖然這些需求要求進(jìn)行測試，但對于IP公司還有附加的動力來提供驗證和評估平臺——這些平臺不僅能夠顯示出功能性和符合性，還能夠在不同的等級上執(zhí)行，以能夠凸顯其對潛在客戶的真實價值。

作為這種動力的一個案例，如果為目前已知的有限且特定的應(yīng)用創(chuàng)建能夠很好執(zhí)行的視覺IP并不那么困難，這是事實。而我們是要從頭開始構(gòu)建視覺有效性和靈活性的技術(shù)，重點是怎樣才能確保IP能在多種應(yīng)用中都以最高的水平執(zhí)行。并且我們知道多說無用，如果沒有真實世界“可觀測（eyes-on）”的演示來證明IP的質(zhì)量和性能，IP的質(zhì)量及應(yīng)用適應(yīng)性可能并不那么顯而易見。

對于那些希望對其合作伙伴或客戶實現(xiàn)授權(quán)的無晶圓廠IP供應(yīng)商，其挑戰(zhàn)是演示在真實世界中運行的真實的IP應(yīng)用。慶幸的是，F(xiàn)PGA平臺與技術(shù)世界的其它部分?jǐn)y手實現(xiàn)了不斷的飛躍發(fā)展，為這種演示活動提供了一種工具。換言之，F(xiàn)PGA能夠提供必要的容量和性能來演示：如果IP在下一代定制ASIC中被選用，將會實現(xiàn)何種可能。盡管如此，我們似乎總是處在最前沿，推動著FPGA的容量和性能極限不斷前進(jìn)，并且總是期望達(dá)到更多。

FPGA供應(yīng)商正變得非常擅長軟件工具開發(fā)，但這些工具將IP的使用和個別FPGA公司緊密聯(lián)系在一起?，F(xiàn)今基于某家FPGA供應(yīng)商平臺上的演示，應(yīng)該要準(zhǔn)備好能夠遷移到日后完全不同的FPGA供應(yīng)商平臺上，并能很好地工作。這能夠通過內(nèi)部團(tuán)隊或終端客戶推動，并且可能是因為收到包括偏好/熟悉度、傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施（硬軟件組件），以及有時能夠提供更快、更少成本、更佳尺寸的新平臺等各種因素的組合的推動。此外，公共的RTL代碼庫必須同時工作在最終的ASIC設(shè)計流程和FPGA “IP演示”設(shè)計流程中，如圖3所示。

圖3：IP需要在來自多家供應(yīng)商的多種ASIC和FPGA原型演示平臺上實現(xiàn)。

該工作模型的一個絕佳實例是，CogniVue為實現(xiàn)復(fù)雜的IP開發(fā)與演示，充分利用Synopsys Synplify工具以及相伴的Synopsys DesignWare IP。Synplify為我們用于交付IP的硅器件提供了卓越的映射能力和邏輯性能。對于初入行的FPGA開發(fā)人員來說，這有些違反直覺：確實，供應(yīng)商應(yīng)當(dāng)知道如何最好地將邏輯功能映射到其產(chǎn)品之中。供應(yīng)商工具正變得非常擅長于為基本開發(fā)人員提供他們可能需要的任何東西。在許多案例中，他們?nèi)绻軌蛱峁┳顑?yōu)結(jié)果，并不會讓我們感到吃驚；但實際上，在一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)一款RTL設(shè)計的最初階段是包括時序和面積優(yōu)化的邏輯綜合。在我們的案例中，我們已經(jīng)找到Synopsys來幫助解決硬件實現(xiàn)的基本綜合問題，它獨立于最終的技術(shù)映射（無論是FPGA還是ASIC芯片）。

結(jié)果證明

對我們來說，與他們在克服這個挑戰(zhàn)中所采用方法的價值相關(guān)的證明可以在一個事實中找到，即我們常規(guī)地致力于代碼庫，它們總是在推展著可以提供的FPGA器件的極限，而這在僅使用FPGA供應(yīng)商的工具時并不適合。在這些案例中，在綜合之后甚至無需進(jìn)行布局布線嘗試。利用Synplify，通常憑借在目標(biāo)FPGA器件中減少所需的綜合后占位面積和相應(yīng)的空間，使這些處在邊界線的設(shè)計得以實現(xiàn)。表1揭示了在一項近期設(shè)計中獲得的資源利用率數(shù)據(jù)，它將使用供應(yīng)商提供的綜合和布局布線工具進(jìn)行的設(shè)計，與在相同設(shè)計上使用Synplify進(jìn)行綜合、并接著采用供應(yīng)商工具進(jìn)行布局布線所獲得的資源利用率結(jié)果進(jìn)行了對比。

表1：僅用供應(yīng)商工具與同時利用Synplify和供應(yīng)商工具的結(jié)果對比。

表1中的一個關(guān)鍵指標(biāo)是，基于供應(yīng)商工具綜合的設(shè)計的利用率為116.91%，不適合該平臺上可提供的FPGA器件。這是我們的IP和我們需要持續(xù)將設(shè)計映射到FPGA上的一個真實案例。從系統(tǒng)和軟件開發(fā)的角度來看，我們能夠重新利用這些FPGA平臺是至關(guān)重要。

我們也可以為設(shè)計創(chuàng)建一個FPGA變體來減少功能并實現(xiàn)契合，但這將與理想情況相距甚遠(yuǎn)，因為在FPGA中所驗證的RTL設(shè)計與為集成到ASIC SoC項目中而交付的RTL設(shè)計兩者之間存在差異。

許多老練的FPGA用戶可能會評論說，即便在使用Synplify綜合后，在利用率為94.92%的情況下也非常危險，因為在FPGA設(shè)計中即便是有較小改動（例如增加幾個邏輯門），也可能對總體面積和可實現(xiàn)的時鐘速率產(chǎn)生很大影響。然而，我們的經(jīng)驗顯示出這個結(jié)果已經(jīng)能夠很可靠地予以實現(xiàn)了，并且實現(xiàn)的時鐘速率處在我們期望值范圍的上端。這當(dāng)然是提升供應(yīng)商實現(xiàn)工具質(zhì)量的一項有力證明。

然后將它們放在一起，該工作模型的結(jié)果將為自己來代言。從Synplify到供應(yīng)商布局布線的流程也工作良好，它不僅提供了更好的結(jié)果，還以更少的總運行時間實現(xiàn)了這些結(jié)果。由于FPGA供應(yīng)商的工具在綜合階段有時比Synplify實現(xiàn)相同階段要快，所以這個優(yōu)勢并不總是立竿見影。然而我們不斷看到，在僅采用供應(yīng)商工具進(jìn)行綜合之后的實現(xiàn)階段，比用經(jīng)Synplify優(yōu)化的網(wǎng)表來完成實現(xiàn)所花的時間要長得多。

由于在僅有供應(yīng)商工具的環(huán)境中上述案例不可能實現(xiàn)，因而該案例不具有代表性。相反，讓我們來看另一個常見（大得多的）的案例，CogniVue用這個案例來演示其IP的能力和可擴展性，這個CogniVue IP相當(dāng)于約2.6M個NAND2 ASIC門。采用Synplify流程來構(gòu)建該配置及其相關(guān)的系統(tǒng)組件（處理器、存儲器和互連等），花費了大約4小時20分鐘；而僅用供應(yīng)商工具來實現(xiàn)相同的架構(gòu)，據(jù)我們觀察需要大約5個小時45分鐘。在時間上長了33%，而得到的結(jié)果優(yōu)化較差。

重定時序和流水線處理

Synplify綜合的時間開銷會更多的部分原因是，為提升性能，它在后臺能提供強大的QOR能力。我們通常用Synplify的兩個功能來是顯示我們的FPGA平臺獲得最佳的性能，這兩個功能是re-timing和pipelining.

Retiming是對時序元件（例如FLOPS）進(jìn)行重分配，以更好地平衡邏輯電平和/或它們之間布線距離的過程。在這種方法中，它能夠通過縮短可能會降低可實現(xiàn)性能的長路徑、并延長會有未使用額外裕量的較短路徑，從而改善總體時序。所有這些都沒有任何RTL改變，并且從設(shè)計的主要輸入輸出來觀測，設(shè)計的行為沒有任何改變；時序原件的延遲總數(shù)維持在相同水平，并且功能操作沒有改變。

Pipelining是一個相關(guān)過程，它把復(fù)雜功能（例如乘法）分解成若干階段，以至于輸入級能夠在每個周期都接受新的輸入，同時輸出級和中間級持續(xù)處理之前的輸入。通過這種分級，時鐘速率和吞吐率能夠在不對延遲產(chǎn)生任何重要影響的情況下得以增加。按照Synplify應(yīng)用到乘法等計算上的綜合功能，這意味著FLOPS布置在乘法操作之前和/或之后，能被識別和標(biāo)記為流水線候選，因此能通過工具自動地轉(zhuǎn)移到乘法器中。這與上面描述的retiming功能實現(xiàn)了類似種類的時序平衡，并能夠得到更高的時鐘速率和復(fù)雜RTL功能的優(yōu)化效率。

當(dāng)你考慮選用這些QoR功能來自動分析和改善給定設(shè)計時，你可以看到它們能夠幫助工程師真正實現(xiàn)更快、更好的設(shè)計工作。同樣，高級語言如Verilog和VHDL（廢除集成電路設(shè)計的原理圖捕獲）的邏輯實現(xiàn)，已經(jīng)基本依賴綜合工具，綜合工具的這種功能，至少根據(jù)我們的涉及到Synopsys的案例的情況，它們可以可靠的從復(fù)雜的時序元件和組合邏輯汪洋大海中尋找到最優(yōu)的時序配置。這意味著，使用諸如Synplify等工具的工程師能夠以一種自然、明晰的方式捕獲他們的設(shè)計，然后依賴軟件工具進(jìn)行優(yōu)化，否則就會搞亂和混淆他們的代碼。

這些優(yōu)化確實能夠幫助我們改善測試平臺可實現(xiàn)的時鐘速率，并且在這個案例中，它們獲得了進(jìn)一步的幫助，Synplify極大地降低了我們的邏輯占位面積（如表1所示）。使用較少的邏輯（較少的FPGA資源）意味著相應(yīng)較短的路徑，這通常能使可實現(xiàn)的時鐘速率變高并使時序收斂所花費的時間/努力變小。單看這幾點，這種方法由于其能夠使我們針對自己的演示平臺實現(xiàn)最佳的映射和性能而成為最佳之選。我們能夠針對多家供應(yīng)商采用相同的綜合操作來實現(xiàn)，從而直接鎖定了生意。

系統(tǒng)環(huán)境

獨立于供應(yīng)商的綜合只是等式的一部分。CogniVue IP追求的是在系統(tǒng)環(huán)境（或者SoC）中對最多樣化的應(yīng)用提供最佳的視覺處理性能。并且這意味著，我們需要有附加的IP（例如主處理器接口、DDR RAM控制器和互連等）來構(gòu)建一個有用的演示平臺。FPGA供應(yīng)商在該領(lǐng)域也有很多IP可以提供，同時為了獲得最優(yōu)實現(xiàn)也必須用到他們的一些組件。例如，由于存在著諸如I/O速度和內(nèi)部布線的物理接口考慮因素，高速DDR RAM控制器最好是從那些供應(yīng)商已經(jīng)匹配到其器件的IP中進(jìn)行挑選。

在我們的案例中，我們選擇使用了Synopsys的DesignWare IP——不僅是基于面積和時鐘速率的考慮，還考慮到了接口效率以及靈活性等其他至關(guān)重要的條件。在選擇IP時，將所有這些標(biāo)準(zhǔn)牢記于心非常重要。

圖4：在ASIC和FPGA兩種原型演示平臺中，Synopsys AMBA DesignWare IP與CogniVue Vision IP子系統(tǒng)一起工作。

如圖4中的案例所示，現(xiàn)今最常見的一個SoC互連IP是ARM公司提供的AMBA AXI。FPGA供應(yīng)商意識到此點，并通常為提供可能需要的所有AXI組件以拼接在一起成為IP陣列。但是為AMBA選擇Synopsys DesignWare IP解決方案的決定，是基于我們以一種供應(yīng)商獨立、且不僅能應(yīng)用到FPGA還能應(yīng)用到可能最終實現(xiàn)的ASIC中的方式，來尋找業(yè)界領(lǐng)先的靈活性、效率、面積和速率。因為基于不僅限于功耗和面積的、而是更廣泛的標(biāo)準(zhǔn)來選擇IP，我們尋求的是超越我們自己的領(lǐng)域來演示可交互性，并為客戶加大我們能提供的指導(dǎo)。

總而言之，無論你的IP產(chǎn)品質(zhì)量有多好，如果圍繞它、驅(qū)動它和支持它的邏輯未能理想地搭配，那么質(zhì)量也會缺失。你能為構(gòu)建一個最優(yōu)的、高性能演示平臺提供什么，就意味著將凸顯其什么價值，并說服客戶不斷向你尋求更多。我們在視覺處理領(lǐng)域有著悠久的歷史，并且我們一路走來所學(xué)到的知識形成了產(chǎn)品的堅實基礎(chǔ)，其不僅是能在單位面積、單位功耗內(nèi)提供一流的性能，而且能在本質(zhì)上滿足現(xiàn)今和將來對靈活性和可應(yīng)用性的需求。同時擁有能使用任何供應(yīng)商的FPGA且面向ASIC能自動提供IP核的綜合工具和IP，以及能實現(xiàn)最佳的QoR和運行時間，是我們設(shè)計獲得成功的重要因素。