随着人工智能和5G技术的蓬勃发展,互联设备的兴起正在重塑日常生活并推动各行各业的创新。这种快速发展加速了芯片行业的转型,对SoC设计提出了更高的要求。摩尔定律表明,虽然芯片尺寸缩小,但晶体管数量却迅速增加。如果没有先进的EDA工具,很难想象实现如此高度集成的大规模设计。
流片是芯片设计中一个关键且高风险的环节,哪怕是很小的一个错误,都可能导致重大的经济损失,错失市场机会。逻辑或功能错误占流片失败的近50%,而设计错误又占到这些功能缺陷的50%-70%。因此,SoC设计的验证是流片成功的关键。SoC验证过程复杂度极高,约占整个周期的70%。为了加快上市时间,系统软件开发和流片前验证必须同时进行,这凸显了原型设计的巨大优势。
对于大规模SoC设计,传统的软件仿真往往因执行速度慢而无法达到要求,因此原型设计和硬件仿真成为主要的验证方法,其中高性能原型设计占据主导地位。原型设计(尤其是基于FPGA的原型设计)可以比软件仿真快数千倍甚至数百万倍,比硬件仿真更具成本效益且速度更快,是复杂SoC验证中不可或缺的方法。然而,在多FPGA和复杂的设计环境中,手动构建的原型设计平台难以维护和扩展。这种方法耗时长且容易出错,导致项目延期和成本超支的风险增加。因此,商业原型设计解决方案应运而生,以应对这些挑战。
商业原型设计的诞生
1992年,原型设计领域的先驱Aptix推出了System Explorer系统,利用FPGA和定制互连芯片实现了商业原型设计。随后几年,多伦多大学的Transmogrifier-l、北卡罗来纳州立大学的AnyBoard、斯坦福大学的Protozone和加州大学圣克鲁兹分校的BORG等项目探索了在原型板上实现HDL芯片设计的方法。尽管这些项目尚未准备好进行大规模商业化,但Aptix的成功激发了其他供应商对该领域的兴趣。尽管后来被合并,但Aptix对芯片验证方法的开创性贡献仍然具有历史意义。
2003年,Toshio Nakama(林俊雄)离开Aptix后,在加州圣何塞创立了S2C。在2005年的DAC上,S2C推出了其首款原型产品IP Porter,并很快推出了商业上取得成功的Prodigy系列。这标志着公司进入了一个新时代,使S2C成为快速SoC原型解决方案的领导者。与此同时,美国Dini Group发布了其首款商用FPGA原型系统DN250k10,该系统基于六片Xilinx XC4085 FPGA,为设计团队提供了灵活且经济高效的解决方案。大约在同一时期,瑞典的HARDI Electronics AB使用Xilinx Virtex FPGA推出了其首款基于FPGA的原型系统HAPS。
竞争推动快速增长
2008年,Synopsys以2.27亿美元收购Synplicity,进入原型设计市场,标志着原型设计快速发展和竞争时代的开始。Synopsys花了近四年时间整合该技术,最终推出了全自动原型设计产品HAPS-70系列。此次收购大大促进了原型设计市场的发展,而此前该市场主要由软件和硬件仿真工具主导。
Cadence很快也效仿了这一做法。Cadence过去一直专注于设计其FPGA电路板,因此一直面临挑战,直到2010年3月收购Taray。Taray开创性的路由感知引脚分配技术通过电路板优化了FPGA设计,有助于开发强大的原型平台。Cadence后来与Dini Group合作开发了Protium原型产品。然而,Dini Group于2019年12月5日被Synopsys收购。如今,Cadence专注于简化其原型设计和硬件仿真产品之间的集成,确保无缝连接。
西门子EDA(前身为Mentor Graphics,2016年被收购)在原型设计领域有着动荡的历史。20世纪90年代末,西门子EDA从Aptix获得了仿真技术许可,但面临着诸多挑战。为了增强其时序驱动和多FPGA分区能力,西门子EDA收购了Auspy和Flexras Technologies,后者以其“Wasga”自动分区软件而闻名。2021年6月,西门子EDA通过收购PRO DESIGN的proFPGA产品系列进一步增强了其原型设计产品组合。
这些大公司的加入,以及S2C等供应商的加入,推动了从软硬件模拟到自动化原型解决方案的转变,提高了SoC设计的效率和准确性,为整个EDA行业的进一步创新铺平了道路。
原型设计中的主要挑战和解决方案
创新原型设计解决方案的出现推动了SoC设计的复杂性,并提高了对严格原型设计的需求。这些解决方案需要专业知识来管理设计分区、映射、与外部环境的接口和通信、调试和性能优化。因此,原型设计已成为一个高门槛领域,只有少数EDA公司保持领先地位。一些公司甚至依靠不断的合并来加强其市场地位。
作为原型设计领域的领导者,S2C通过时序驱动的RTL分区算法和内置增量编译算法解决了多FPGA RTL逻辑分区、互连拓扑、IO分配和高速接口方面的挑战。S2C不断更新硬件配置以支持更多FPGA并提供更高性能的连接器,确保其技术始终处于行业前沿。