ASIC原型構建：是做還是買？

　隨著數(shù)字集成電路（IC）的設計變得更加復雜，驗證其功能的工作也越來越復雜了。在能被設計的門電路數(shù)量和能在合理時間內(nèi)被驗證的門電路數(shù)量之間一直存在差距，而這些年來，EDA 廠商們在縮小這種差距方面幾乎無所作為。
要 點
　　●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原型的速度可以達到 RTL仿真的10,000倍。 
　　●EDA廠商目前提供可簡化構建原型的分區(qū)軟件。 
　　●多家廠商提供FPGA原型構建電路板，價格比自建的更便宜。 


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　　僅就驗證設計而言，通常要占用集成電路（IC）設計師們多達 60% 至 80% 的工作時間，而且這個比例還在不斷上升。為了幫助完成驗證，很多設計機構已轉(zhuǎn)向硬件輔助驗證來構建設計原型。電路試驗板是第一種硬件原型制作形式，并且在復雜化和流行程度方面一直在提高。Collett International (www.collett.com) 和 Deepchip.com (www.deepchip.com) 的調(diào)查表明：30% 至 40% 的 ASIC 項目涉及原型制作。現(xiàn)在可以利用現(xiàn)成的 FPGA 來構建自己的包含數(shù)百萬門電路的原型，然而對于大型設計或復雜設計，也許就需要購買預先設計的原型系統(tǒng)，或者，在經(jīng)費允許的情況下，租借或購買仿真加速器或電路內(nèi)置仿真器。構建、租借或購買的決定取決于若干因素，其中包括所要求的時鐘速度、容量、功能、成本、系統(tǒng)設計技能以及必須驗證設計的時間（參考文獻 1）。 
　　原型構建系統(tǒng) 

　　設計師和廠商們表示，制作 ASIC 和 SoC（單片系統(tǒng)）原型在本質(zhì)上是向后邁出的一步——一些人半開玩笑地稱之為將SoC變成了SoB（單板系統(tǒng)）。在構建原型系統(tǒng)的過程中，一些設計師利用各種分立元件、既有的 ASIC 和提供新功能的 FPGA 的組合來重建其 ASIC 的功能。而另一些設計師則構建甚至購買將設計方案編程到主板中的快速原型設計系統(tǒng)。主板上容納了一組 FPGA 和子板，用來連接成獨特的功能或更大的系統(tǒng)。

　　工程師們可以設計或購買運行速度接近 250 MHz的 ASIC 原型構件系統(tǒng)，這個性能水平在某些情況下接近最終芯片的運行速度。這類原型系統(tǒng)比那些最高頻率為 2 MHz 的商用仿真器快得多，比 RTL 仿真器快 110 倍。利用快速 ASIC 原型構件系統(tǒng)，設計師可以在系統(tǒng)環(huán)境中測試設計的功能，或者也可以進一步進行嵌入式軟件的開發(fā)。

　　當然，由于設計師們很難在這樣的系統(tǒng)中查明系統(tǒng)缺陷的確切位置，ASIC原型的缺點是難以調(diào)試。各設計機構把基于仿真的廣泛驗證作為原型的基礎。MIPS Technologies 公司利用幾乎各種基于硬件的加速來驗證新型微處理器內(nèi)核設計，同時幫助客戶集成內(nèi)核（見附文《MIPS 無所不用》）。 

　　自建原型系統(tǒng)

　　目前，從頭構建原型系統(tǒng)在某些方面比過去更容易了，而在另一些方面則更難了。當今 FPGA 的巨大容量和速度等級使得用戶能夠制作數(shù)百萬門 ASIC 設計方案的原型。近年來，通過提供工具幫助工程師分割ASIC設計并將分割的模塊編排到FPGA陣列中，Synplicity 和 Synopsys 等 EDA 公司已使原型設計工作變得容易了。目前，ASIC 原型構建軟件的商品化已經(jīng)刺激了快速原型業(yè)務，并使其成為了 Cadence Design Systems 和Mentor Graphics等傳統(tǒng)仿真廠商的更強大的競爭對手。各廠商，特別是那些提供現(xiàn)成原型系統(tǒng)的廠商表示：那些考慮制造或購買原型的單位面臨的一個大問題是——是否有時間、額外的擁有印制電路板設計和系統(tǒng)設計技能的工程人員以及預算來自行構建原型系統(tǒng)？

　　Dini Group 的 ASIC 原型構建公司總裁 Mike Dini 強烈建議：購買快速原型產(chǎn)品比從頭構建更便宜。Dini 在 10 年前是一名 ASIC 和 FPGA 設計顧問，由于當時需要一些驗證工具，因此他開始構建原型電路板。他目前已經(jīng)放棄了設計服務，轉(zhuǎn)向了 ASIC 原型構建領域中一項蓬勃發(fā)展的業(yè)務。多家廠商目前都提供這類原型系統(tǒng)（表 1）。Dini 說：“我們在仿真領域的競爭對手說我們只是提供一堆FPGA 而已。我并不把它當作是一種侮辱。這就是我做的事情。我把數(shù)量極大的一堆 FPGA 放在電路板上，把它們組裝在一起并進行調(diào)試，并把它們以比你自己制造更便宜的價格賣給你?！彼硎荆涸蜆嫾膬r值可能無法衡量，但是，組裝一塊你在項目結(jié)束后可能會丟棄的專用電路板，可能會很浪費。他建議用戶創(chuàng)建專門功能的子板，并從快速原型構建廠商那里購買原型系統(tǒng)的 FPGA 部件（見附文《購買理由》）。

表一,快速原型系統(tǒng),加速器,仿真器,供應商:



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　　Dini 等人表示：即使借助 Synplicity 和 Synopsys 等公司的自動分區(qū)軟件，自己構建一個配備3 塊以上 FPGA 的系統(tǒng)也可能很快變成一個噩夢，特別是如果你不熟悉印制電路板設計（盡管 EDA 廠商聲稱印制電路板設計不難，但它依然是一項艱巨任務）時，情況更是如此。Dini 說：“原型是一個關于‘是做還是買’的決定。如果采用擁有 700 根引腳的較大封裝，那么在一塊板上放置一片 Virtex FPGA 沒什么問題，但是如果要放置 2、3 或 16 片的話，在設計、構建和測試上就會有很大的困難。例如，兩片 700 引腳 FPGA 對于印制電路板自動布線器來說就太多了，因此必須做很多手工工作。使基于 FPGA 的自制 ASIC 原型變得復雜的困難臨界值大約是 3。兩片還不算困難，但是當你開始實施 3 片 FPGA 時，你就必須開始檢查層數(shù)，檢查各種部件在印制電路板中如何連接?！彼赋觯含F(xiàn)代的 FPGA 非常適合于自動分區(qū)軟件，并且多數(shù)快速原型構建廠商都定制各自的系統(tǒng)，以便配合 Synplicity 公司的 Certify 等產(chǎn)品。