當前，智能手機AP（應用處理器）的迭代周期已經縮短到每年一次。事實上現在消費電子很多SoC（片上系統）都是每年更新一代產品，甚至是一些定制性的ASIC（專用集成電路）也在以12-18個月的周期進行升級。與此同時，隨著芯片制造工藝越來越先進，芯片設計的復雜度呈指數級增長。這種近乎矛盾的發展趨勢讓芯片設計公司面臨著巨大的創新壓力，同時先進工藝高昂的量產成本進一步增加了企業的經營風險。

在這樣的大背景下，芯片設計公司對基于FPGA的原型驗證更加重視，越來越多的芯片選擇用FPGA進行設計評估，包括功能驗證和時序驗證等，以確保所設計的芯片和需求相匹配，應對資金和時間帶來的巨大挑戰。本文將為大家介紹FPGA原型驗證的魅力，以及貿澤電子在售的極具市場競爭力的FPGA產品和相關的開發套件。

FPGA原型驗證的魅力

FPGA是一種應用廣泛的芯片，在通信、計算、控制等領域都能看到它的身影，而將RTL移植到FPGA來進行芯片原型驗證，在ASIC、ASSP（專用標準產品）和SoC等從設計到制造的過程中也已經是不可或缺。

隨著制造工藝進入7nm、5nm，甚至是更先進的3nm、2nm，成功設計一顆芯片要考慮的因素越來越多。原型驗證的目的是在芯片流片之前，盡可能地還原芯片真實的應用場景，提升開發效率，降低開發成本。從具體的執行步驟來看，基于FPGA的原型驗證主要包括FPGA選型、定制或者購買原型板、芯片轉FPGA、調試啟動FPGA原型、軟硬件協同驗證、現場認證等。確實，鑒于芯片的復雜度與日俱增，原型認證不僅會驗證芯片的基本功能，同時也會在現實的使用環境中做更完善的認證保障。

當前，FPGA已經被用于驗證相對成熟的RTL。從芯片設計角度來劃分，主要會包括RTL0、RTL1、RTL2、RTL3、GLS、TO六大環節，所涵蓋的驗證內容包括芯片定義、子模塊實現、系統實現、門級表驗證。當所有這些環節都沒有問題的時候，最終環節就是TO流片，芯片開始進入到制造量產環節。

無論是FPGA角度還是RTL角度來切分流程，基于FPGA做芯片的原型驗證已經是行業廣為認可的方案，在純硬件和軟硬件方面都能夠提升效率。在純硬件方面，雖然目前單片FPGA已經不足以驗證先進制程上面的芯片，但方案商通過創新方案能夠將多個FPGA芯片組合成一個硬件系統，并克服了子模塊信號傳輸大于FPGA自身I/O接口數的問題。這依然是一個近乎精確的以高速運行的芯片復制品，且極具性價比。

在軟硬件協同環節，目前采用FPGA做系統驗證具有不可替代性。FPGA的可編程特性帶來了極高的可操作性，讓軟硬件可以并行開發。芯片公司的合作伙伴可以更早地基于FPGA平臺做軟件和應用開發，顯著縮短了產品上市的周期。

綜合而言，基于FPGA做原型驗證，可以加快芯片設計速度，幫助設計公司降低流片失敗的風險，并通過軟硬件協同的特性縮短下游產品的上市周期。隨著芯片制造工藝越來越先進，這種優勢會愈發明顯。

高容量FPGA的理想之選

相信從事芯片原型驗證相關工作的工程師朋友都對Xilinx的Virtex-7 FPGA系列不陌生。其在芯片原型驗證方面有諸多優點，包括更優的功耗性能比架構、DSP性能以及I/O帶寬等。

貿澤電子在售的XC7VX485T-2FFG1158I型號FPGA是Virtex-7系列FPGA中的一款。

圖1：XC7VX485T-2FFG1158I示意圖（圖源：Xilinx）

Virtex-7屬于四大Xilinx 7系列之一，其他三個FPGA系列是Spartan-7、Artix-7和Kintex-7。Xilinx 7系列FPGA基于低功耗（HPL）、28nm、高K金屬柵極（HKMG）工藝技術打造，Virtex-7系列對28nm系統性能和集成進行了優化，屬于Xilinx 7系列中的高端系列，提供：

多達200萬邏輯單元

6.8B個晶體管

多達96個高級串行收發器

68Mb的塊RAM

3600個DSP模塊

5335 GMAC/s的DSP

1200個I/O接口

在信息傳輸方面，Virtex-7系列FPGA提供28.05Gb/s的傳輸速度，2784Gb/s的串行帶寬，1866Mb/s的存儲速度。同時，數以千計的SLL（Super Long Line）連接資源和跨越SLR的超高性能時鐘線路，使得Virtex-7系列FPGA在高容量FPGA中具有領先同時代產品的絕對實力。

原型設計與驗證是Virtex-7系列FPGA的典型應用。該系列產品在設計之初就考慮到了SoC原型設計，能夠實現高級調試、仿真加速和交互式設計微調。同時設計者借助Xilinx Vivado設計套件，還可協同優化設計流程，進一步降低成本和流片風險，并提高設計效率，縮短產品的上市周期。

講了這么多，你一定對Virtex-7系列FPGA心動了，但單純憑借器件參數有些工程師朋友還把握不準該系列FPGA的性能表現。不要擔心，大家可以通過貿澤電子在售的Virtex-7 FPGA VC7215特性描述套件深入了解，這款套件的制造商編號為CK-V7-VC7215-G。

VC7215特性描述套件可以支持Virtex-7系列FPGA中的多款產品，包括XC7VX415T、XC7VX485T和XC7VX690T等。圖2是該套件的系統框圖，用戶可以借此對Virtex-7系列FPGA產品的收發器性能進行評估，還可以完成硬件開發、設計工具、IP和預驗證參考設計。

圖2：Virtex-7 FPGA VC7215特性描述套件系統框圖（圖源：Xilinx）

該套件提供的Vivado Design Suiter軟件能夠極大地提升原型驗證的效率。這款軟件基于突破性的全新ML算法，能夠加速設計收斂。如下圖3所示，這套軟件能帶來平均10%、高達50%的突破性結果質量（QoR）提升。另外，這套軟件提供的協同設計環境是業界首個采用模塊化設計的圖形化IP流程，能夠借助團隊的設計助力提升生產力，高級DFX功能則能帶來5倍平均編譯時間減少。

Virtex-7 FPGA VC7215特性描述套件上面的BullsEye連接器帶來了強大的擴展能力，可連接各種評估平臺，包括背板、光學評估板和高速測試設備。每一個BullsEye連接器均可處理1個完整的GTH Quad、4個發送/接收對以及2個獨立的參考時鐘，從而能夠以極靈活的方式測試定制應用。

當然，隨著芯片制造工藝的精進與需求復雜度的提升，部分ASIC和SoC原型設計與驗證需要更大型的FPGA平臺。而Xilinx UltraScale架構無疑提供了功能更強大的解決方案，包括高邏輯容量、超過90%的器件利用率、堪比ASIC的時鐘、增強型布線和面向引腳多路復用的高速收發器簡化設計分區。

UltraScale架構下的FPGA無疑是為了復現更復雜的ASIC和SoC功能，能夠大幅提升復雜原型設計的靈活性。而要深入了解這些領先的器件，可以借助貿澤電子在售的FPGA評估套件。

比如Xilinx VCU108評估套件便是用于開發和評估Xilinx UltraScale XCVU095-2FFVA2104E器件，制造商編號為EK-U1-VCU108-G。通過下方的VCU108評估板布局圖能夠看出，該評估板提供很多評估系統的通用功能，包括DDR4和RLD3組件存儲器、一個高清多媒體接口（HDMI）、一個四通道小型可插拔（QSFP+）連接器、一個八通道PCI Express接口、一個以太網PHY、通用I/O和兩個UART接口。

作為系統核心，XCVU095-2FFVA2104E這款FPGA提供了117.6萬個邏輯單元。而正如下圖5所示，在VCU108評估板上，XCVU095-2FFVA2104E器件共提供了17個I/O bank，為器件功能體驗提供了更高的靈活性。因此該評估套件可以為需要大量數據流和數據包處理的原型設計系統（比如400+Gbps系統、大規模仿真和高性能計算）提供一個出色的平臺。

圖5：VCU108評估板I/Obank分布（圖源：Xilinx）

復雜系統下的成本效益

開發套件給了我們一個快速了解器件的捷徑，通過貿澤電子在售的Intel Cyclone開發工具便可以評估Intel Cyclone FPGA。這款開發套件的制造商編號為DK-DEV-5CGTD9N，工程師朋友可以直接借助開發工具進行再創新，不僅可用于嵌入式視覺、工廠自動化等應用的開發設計，也是概念驗證的理想起點。

作為板子的核心，Intel Cyclone V 5CGTD9 FPGA在FPGA行業面向6.144 Gbps收發器應用的所有產品中，成本和功耗都很低，且自帶DSP模塊，因此在嵌入式視覺、工廠自動化等應用極具性價比。同時，這塊FPGA作為Cyclone V系列產品中配置極高的一款，提供301000個邏輯單元，嵌入內存高達13.917Mb，加上Intel提供的包括軟件、知識產權（IP）、設計實例等在內的配套支持，將這款開發套件用于概念驗證同樣方便易用且具有成本優勢。

為了適應ASIC和SoC日益復雜的系統，Intel更推薦IC設計人員采用Stratix?10 GX系列，以合理成本實現高集成度的原型驗證解決方案，可實現更短的上市周期、更快的驗證速度和更高的系統集成。

在基礎性能方面，Intel Stratix?10 GX系列可提供1020萬個邏輯元件、2304個用戶I/O引腳、308Mb內存以及高達17.4Gbps的帶寬，如果你的芯片設計更強調收發器的性能和靈活性，比如以太網相關應用，Intel Stratix? 10 GX系列在單獨的收發器塊上配備多達96個通用收發器，可提供2666Mbps DDR4外部內存接口性能。這樣領先的配置再加上Intel提供的豐富的用戶指南，無疑讓Stratix? 10 GX系列非常適合ASIC原型設計和系統仿真。

現在，你可以通過Stratix?10 GX FPGA開發套件深入了解這個系列的FPGA產品，開發套件在貿澤電子上的制造商編號為DK-DEV-1SGX-L-A。

下方圖8是Stratix?10 GX FPGA開發套件的系統框圖，能夠看出該開發套件圍繞核心——Stratix? 10 GX FPGA打造了一個非常完整的開發環境。豐富的接口資源包括PCIe x16邊緣連接器、串行數字接口（SDI）通道和FMC低引腳數（LPC + 15收發器）連接器等，可直接用于開發和測試PCIe 3.0設計以及由DDR4、DDR3、QDR IV和RLDRAM III存儲器組成的存儲器子系統。

圖8：Stratix?10 GX FPGA開發套件的系統框圖（圖源：Intel）

在支持工具方面，Quartus Prime Pro軟件是Stratix?10 GX FPGA開發套件的一大亮點，提供設計和開發Intel FPGA、SoC和CPLD所需的一切，從設計輸入和綜合到優化、驗證和仿真。其中，Quartus Prime Pro Edition主要用于FPGA應用。

讓原型驗證更高效

半導體產業的共識是FPGA是一個門檻相對較高的領域，當用于ASIC和SoC的原型驗證和系統仿真時更是如此。而貿澤電子銷售的開發套件無疑幫助降低了這一門檻，提供了解和進一步開發FPGA相關應用所需的完整軟硬件配套，讓工程師朋友享受來自可編程的無限樂趣。

審核編輯：郭婷