🥘 🌬️ 👨‍👩‍👧‍👦 Prototyping ASIC di FPGA 👩🏿‍💼 👩‍👧 👇🏿

Pengembangan chip rumit, mahal dan memakan waktu. Dan harga kesalahan apa pun sangat tinggi. Setelah membuat kristal dengan tambalan dan pembaruan, tidak ada yang bisa diperbaiki. Oleh karena itu, verifikasi skema yang dirancang pada tahap pengembangan sangat cermat. Untuk setiap blok fungsional, tes blok ditulis dalam semua mode operasi dan non-operasi. Setelah mengintegrasikan blok ke dalam rangkaian umum, pengujian sistem dilakukan pada bagaimana blok ini bekerja sebagai bagian dari sistem. Semua tes terus berputar dalam pengujian regresi. Bahkan ada tanda informal dari tingkat pengujian yang kurang atau kurang dapat diterima - ketika jumlah kode pengujian adalah 10 kali jumlah kode unit yang diuji. Tetapi semua tes ini tidak memberikan perasaan bahwa rangkaian itu layak, karena setiap simulasi adalah perilaku rangkaian selama ratusan milidetik maksimum.Namun dalam kehidupan, sirkuit harus bekerja ratusan ribu jam. Saya pernah mencari kegagalan ketika 1 atau 2 byte hilang per 1 GB informasi yang dikirimkan dan tidak ada tes fungsional yang menemukan masalah ini. Dan kesalahan ini hanya terjadi pada prototipe FPGA dari chip masa depan. Tentang prototipe apa yang kami lakukan dan apa yang sedang terjadi di dunia, artikel ini akan memberi tahu.

Memprototipe chip masa depan pada FPGA adalah satu-satunya cara untuk menguji bagaimana sirkuit bekerja pada tugas-tugas dunia nyata dalam waktu yang kurang nyata. Prototipe memungkinkan Anda melakukan debug perangkat lunak, mendapatkan karakteristik kinerja awal, dan banyak lagi. FPGA modern memiliki sumber daya yang cukup besar untuk tugas-tugas ini. Misalnya, Anda dapat mengimplementasikan komputer lengkap dengan prosesor Intel 8086 pada motherboard dengan FPGA seharga $ 300 .

Tahun 2004

Sayangnya, prototipe pertama dalam penyimpanan kabinet kami dengan kerangka tidak dapat ditemukan, tetapi itu adalah syal kecil berdasarkan Xilinx Spartan3-400 (XC3S400). 400 berarti jumlah ribuan ekuivalen katup yang tersedia bagi pengembang untuk membuat sirkuit mereka. Harga saputangan adalah sekitar $ 50 dan diizinkan untuk menerapkan di dalamnya mikrokontroler 8-bit sederhana dengan semua memori dan pada frekuensi 40 MHz. Prototyping terdiri dari fakta bahwa mikrokontroler yang dikembangkan di atasnya berkedip LED.

2005 tahun

Papan khusus untuk prototipe sudah dikembangkan bukan sebagai percobaan, tetapi sebagai tahap yang berarti dari proyek. Sudah menerapkan FPGA Xilinx Spartan3-1000. Itu 1 juta katup sudah tersedia untuk kami, dan mikrokontroler yang dirancang bekerja pada frekuensi maksimum 48 MHz. Dan di papan inilah saya menangkap 2 byte yang hilang per gigabyte. Harga papan sekitar $ 200.

Tahun 2007

Untuk mikrokontroler 32-bit yang baru, jelas bahwa 1 juta katup mungkin tidak cukup. Oleh karena itu, motherboard baru berbasis Xilinx Spartan3-5000 dikembangkan, berkat itu tersedia 5 juta gerbang. Harga papan adalah sekitar $ 500 dan untuk waktu yang lama papan ini menjadi yang utama untuk membuat prototipe perkembangan baru. Atas dasar itu, tidak hanya mikrokontroler diuji, tetapi juga berbagai sirkuit mikro khusus. Mikrokontroler yang dirancang dalam FPGA sudah beroperasi pada frekuensi berkurang 20 MHz, meskipun kemudian dalam silikon itu bekerja pada frekuensi 100 MHz dan bahkan 150 MHz.

Prototipe mikrokontroler 32-bit:

Prototipe kartu video (sayangnya, proyek tidak ditayangkan, tetapi RTL yang sudah selesai menunggu di sayap):

Prototipe sakelar Ethernet 4 arah dengan transceiver terintegrasi:

Tahun 2010

Ketika mengembangkan mikrokontroler dual-core (32-bit RISC + 16-bit DSP core), kami akhirnya mencapai level ketika 5 juta sudah tidak cukup. Tetapi implementasi dalam FPGA dari berbagai konfigurasi terpotong dari sirkuit mikro masa depan memungkinkan untuk menguji operasinya. Sebagai contoh, mereka menjual dua core (RISC + DSP) dengan seperangkat peripheral terpotong atau satu core (RISC), tetapi seluruh periphery.

tahun 2012

Proyek baru ini membutuhkan papan baru, karena jumlah memori internal yang diperlukan untuk inti DSP 32-bit baru telah melebihi kapasitas yang tersedia di Spartan FPGA terbesar. Saya harus beralih ke FPGA yang lebih mahal dan kompleks. Waktu proyek terbatas, dan memutuskan untuk menemukan solusi yang sudah jadi. Pilihan jatuh pada papan dari INREVIUM dengan yang terbesar pada saat itu FPGA Xilinx Virtex-6 XC6VLX760.

Dan meskipun jumlah gerbang setara telah meningkat menjadi hanya 8 juta, tetapi jumlah memori blok built-in telah meningkat dari 2 Mbit menjadi 25 Mbit.
Pilihannya juga kemungkinan besar menentukan bahwa biaya biayanya dipertahankan di situs kantor perwakilan Jerman di cache Google, dan kami tahu bahwa biayanya $ 18K sebelum menandatangani NDA. Dan dengan biaya hanya satu chip FPGA sebesar $ 15 ribu, ini menghilangkan pertanyaan tentang mengembangkan papan Anda sendiri. Papan serial untuk FPGA besar seperti itu biasanya berharga baik sebanyak FPGA itu sendiri atau sedikit lebih mahal.
Akuisisi papan juga membawa banyak pengetahuan menarik, misalnya, distributor lokal kami yakin bahwa papan ini berharga $ 40 ribu termasuk biaya pengiriman, dan secara umum berisiko sangat besar dengan pembayaran di muka 100% dari pihak kami. Pada akhirnya, 3 papan ini dibeli tanpa perantara, dan sekarang mereka digunakan untuk membuat prototipe prosesor DSP kami.

tahun 2013

Untuk mikrokontroler khusus 32-bit yang baru, diputuskan untuk mencoba membuat papan Anda sendiri. Pertama, pengembang modul pada FPGA harus mengembangkan dan tidak takut untuk menggunakan sirkuit mikro yang lebih mahal daripada mobil pribadi mereka, dan kedua, salah satu distributor memiliki beberapa persediaan Virtex-6 XC6VLX550T dan dia menawarkannya dengan diskon besar. FPGA LX550T adalah satu langkah lebih kecil dari LX760 (sekitar 30% lebih sedikit katup), tetapi harga akhir dari papan, dengan mempertimbangkan pengembangan, hanya sekitar $ 8K. 6 papan dirakit. Kami tidak berencana untuk mendistribusikannya ke pelanggan, tetapi mengatur akses pengembang ke mereka melalui Internet. Dewan telah menerapkan banyak solusi menarik. Sebagai contoh, file firmware dimuat ke papan seperti pada Perangkat MassStorage ke kartu SD khusus, dan kemudian mereka dimuat dari itu ke dalam FPGA.Secara total, kartu dapat memiliki hingga 10 firmware yang berbeda, dan melalui program manajemen khusus Anda dapat memilih mana yang akan digunakan saat ini. Juga menerapkan berbagai perlindungan "dari orang bodoh", agar tidak sengaja membakar chip mahal. Semua ini memungkinkan Anda untuk bekerja dengan papan ini dari jarak jauh, dengan aman dan mempercayai mereka bahkan kepada siswa. MK yang dirancang dalam FPGA bekerja pada frekuensi 40 MHz.

Papan itu sendiri (prototipe mikrokontroler 32-bit dual-core khusus):

Prototipe chip khusus untuk sensor konversi sudut-ke-kode:

Sayangnya, board ini memiliki beberapa kelemahan: konektor buruk dipilih untuk menghubungkan modul tambahan, tetapi itu setengah dari masalah, kami lupa untuk memperbaiki lubang di dekat konektor, dan modul hanya dipegang di konektor. Untuk mendapatkan akses ke beberapa kontrol di papan utama, Anda harus mencari tahu modul ekspansi.

Pengalaman domestik

Tapi bagaimana dengan pengembang chip kustom lainnya? Sebagai contoh, MCST saat membuat prototipe VLSI 1891VM6Ya (R-1000, prosesor empat-inti dengan arsitektur 64-bit SPARC v.9) menggunakan papan khusus dengan 10 FPGA Altera Stratix II (4 x EP2S180 + 5 x EP2S130 + 1 x EP2S90). Volume total gerbang logis sistem dapat diperkirakan 20 juta

Sekarang satu chip EP2S180 berharga sekitar $ 8K. Jadi biaya hanya chip FPGA dalam prototipe melebihi $ 50 ribu.
Untuk membuat prototipe prosesor Elbrus-4C +, 21 sirkuit mikro Altera Stratix IV EP4SE820 sudah diperlukan dan dengan total volume 100 juta katup (meskipun MCST sendiri mengutip angka 750 juta) dan biaya sekitar $ 200K. Pada saat yang sama, frekuensi kerja prototipe adalah 9 MHz.

Pengalaman asing

Sekarang solusi khusus untuk prototipe FPGA ditawarkan oleh perusahaan-perusahaan yang berspesialisasi dalam pengembangan alat CAD untuk mikroelektronika, meskipun modul yang cocok untuk prototipe juga dapat ditemukan di perusahaan lain. Intel dan IBM memiliki prototipe FPGA, tetapi karakteristik mereka tidak diiklankan, dan mereka menjadi dikenal luas hanya ketika prototipe sudah ketinggalan zaman.

Cadence menawarkan Platform Rapid Prototyping khusus yang dibangun di atas Altera Stratix-4 EP4SE820 FPGA. Dalam konfigurasi minimum, platform terdiri dari dua (dengan total volume 10 juta katup), dan maksimum enam FPGA (dengan volume hingga 30 juta katup). Harga satu chip EP4SE820 hari ini adalah ~ $ 10K.

Sistem baru dari Cadence disebut Protium dan didasarkan pada Xilinx Virtex-7 XC7V2000T dan memungkinkan Anda untuk menerapkan mulai dari 25 juta dalam dua FPGA hingga 100 juta katup dalam delapan. Biaya satu chip XC7V2000T sekarang sekitar $ 20K. Itu Protium yang lengkap akan dikenakan biaya setidaknya $ 160 ribu.

Selain alat pengembangan, Aldec juga menawarkan platform untuk prototipe FPGA dari HES-7.

Hingga enam Xilinx Virtex-7 XC7V2000T atau UltraSacle XCVU440 terletak di satu papan. Dalam hal implementasi modul berdasarkan FPGA UltraSacle XCVU440, jumlah total gerbang mencapai 158 juta. Menggunakan papan tambahan, Anda dapat merakit 24 chip FPGA ke dalam satu modul dan mendapatkan 633 juta gerbang. Biaya satu chip XCVU440 sekarang $ 49K. Dan total biaya maksimum semua FPGA melebihi $ 1 juta.

Synopsys mungkin memiliki pengalaman paling banyak dalam mengembangkan platform untuk pembuatan prototipe FPGA. Model awal mereka didasarkan pada FPGA Virtex-6 (HAPS-60), kemudian Virtex-7 (HAPS-70). Perkembangan terbaru mereka, HAPS-80, dalam satu modul berisi dari satu hingga empat Xilinx UltraScale XCVU440 FPGAs.

Modul yang sudah jadi dapat dikombinasikan menjadi satu rak. Dan dalam hal ini, volume total adalah rekor 1,6 miliar katup.
Saat menggunakan satu FPGA, frekuensi maksimum hingga 300 MHz, saat menggunakan yang bertetangga dalam satu modul hingga 100 MHz, saat menggunakan beberapa modul, frekuensinya berkurang hingga 30 MHz.

Dengan demikian, memiliki sekitar $ 3,5 juta untuk pembelian FPGA, Anda dapat merakit platform yang cocok untuk membuat prototipe Intel Xeon E7. Nah, atau tunggu 20 tahun, ketika FPGA dengan volume seperti itu akan turun harganya menjadi beberapa ratus dolar.

Prototyping ASIC di FPGA