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日志

FPGA验证的挑战与机遇

已有 223 次阅读2019-4-12 19:59 |个人分类:验证系统思想|系统分类:芯片设计| IC验证, FPGA验证

rockeric.com

一、前言

近年来发表了很多关于IC/ASIC功能验证趋势的研究[1] [2] [3] [4],但却很少有关于FPGA验证趋势的研究发表。我们找到一篇针对FPGA关键验证技术研究的文章分享给大家,是2018年Wilson的课题组进行功能验证研究中的内容,研究结果对如今FPGA市场的功能验证提供了宝贵的见解。


二、全球半导体市场

2017年全球半导体市场价值444.7亿美元,其中FPGA市场占据了47亿美元。[5] [6]预计,到2027年,FPGA市价值将达到88亿美元,在此预测期内复合年增长率(CAGR)增长6.4%。这一市场的增长主要受到新的和不断扩展的终端用户应用的推动,这些应用涉及数据中心内需要加速的汽车、物联网、电信、工业、军事/航空,消费者和新兴AI应用。

相较于ASIC,FPGA有两个主要的优势。首先,由于其低NRE[7]( Non-Recurring Engineering一次性工程费用),FPGA通常比IC / ASIC在成本效益上表现好,适用于小批量生产。其次,FPGA的快速原型制作能力灵活性缩短了开发周期,因为大多数验证和验实周期传统上都是在实验室中进行的。最近,通过利用硬件并行性,例如AI神经网络,FPGA为某些加速应用提供了与性能相关的优点。


三、日益增长的设计复杂性

2000年中后期,IC/AISC市场必须付出越来越多的努力,才有可能解决日益增加的验证复杂性。同样的,对于FPGA 市场,日益增长的验证复杂性也是亟待解决的问题。随着如今FPGA容量和功能的增加,以及高性能SoC可编程FPGA,例如Xilinx®Zynq®,Intel®Arria®,Cyclone®和Stratix®以及Microsemi®SmartFusion®等的出现,传统的基于实验室的FPGA 验证和验证方法就不大管用了。本文量化了目前FPGA在验证过程中重大bug逃逸到生产中的无效性


四、FPGA验证有效性

IC / ASIC项目经常使用“量产前所需自旋次数”这一指标作为评估项目验证有效性的基准。一般来说,大约30%的IC / ASIC项目能够实现首次硅片成功,而大多数的设计都是在第二次硅片自旋成功后才能实现产品化。不幸的是,FPGA项目没有等效的指标。作为IC / ASIC自旋的替代方案,我们的研究是向FPGA参与者询问“有多少重大的漏洞被投入生产?”。如图1所示,在2018年,只有16%的FPGA项目没有漏洞被投入到生产中,这在首次硅片成功方面比IC / ASIC差,而对于某些细分市场,现场维修的成本可能很高,这是非常糟糕的。


图1 逃逸到生产的重大FPGA漏洞

例如,在军用航空市场中,若是需要在在系统上有修改以升级FPGA,整个系统就需要重新验实。


五、FPGA验证工作

这一部分会讨论FPGA项目时间和资源方面的趋势

在验证中花费的项目时间百分比

图2显示了在FPGA项目总时间中验证所占据的的百分比。图中可以看到两个极端:一般而言,验证耗时很少的项目通常使用大量现有的已预验证的设计IP,将这些IP集成在一起以创建新的产品;另一种是验证会花费大量时间的项目,通常会有高占比的必须进行验证的新开发的设计IP。


图2  验证占据FPGA项目时间百分比

总体而言,发现2014年至2018年期间用于验证的FPGA项目时间平均百分比有所增加,这表明设计和验证的复杂性在不断增加。


工程师人数的平均峰值

当今社会,最大的挑战之一,可能是控制成本和工程人员,这意味着确定的FPGA设计和验证解决方案可以提高生产率。为了说明提高生产率的必要性,讨论了增加工程人员的趋势。图3显示了在项目中工作的FPGA工程师的平均峰值数。

虽然平均而言,设计工程师的需求增长率约为4%CAGR( 复合年增长率),与IC / ASIC类似,但对验证工程师的需求正以约10%的复合年增长率增长。值得注意的是,在2007年至2014年期间,IC / ASIC市场经历了与验证工程师类似的增长需求,以应对不断增长的验证复杂[3]。


图3  项目中FPGA工程师人数的平均峰值


六、FPGA验证趋势

为了解决日益增长的验证复杂性问题,许多FPGA项目已经被迫使其验证过程变得成熟。在本节中,将介绍FPGA相关的各种验证技术趋势,这些技术目前在大多数IC / ASIC项目中已经充分实践过了。

图4展示了,形式验证检查,例如模型检查,和自动化形式验证应用程序被采用的趋势。FPGA项目的形式验证属性检查的采用率正在以惊人的21%CAGR增长,采用了自动化形式验证应用程序的复合年增长率为29%。我们都知道,形式验证属性检查需要专业的技能和知识。然而,最近出现的自动形式验证应用程序提供了严密集中的解决方案,并且不需要专门的技术。一般而言,形式验证的解决方案(即形式验证属性检查与自动化形式验证应用程序相结合)是功能验证中增长最快的部分之一


图4  FPGA项目种采用形式验证技术的趋势


图5显示了2012年至2018年FPGA项目中采用的各种基于仿真的技术趋势,包括代码覆盖、功能覆盖、断言和约束随机仿真。


图5  FPGA项目仿真技术趋势

七、结论与讨论

本文基于最近大的行业研究提出了FPGA设计和验证的趋势。FPGA的复杂程度与当今许多IC / ASIC设计相当。在验证有效性和工作量方面量化了这种日益增长的复杂性的影响。

也许今年研究中最令人不安的要数重大漏洞逃逸到生产的FPGA项目的数量了,同时也发现了减少功能缺陷与重大bug逃逸到生产之间的有趣关联,如图1所示,以及FPGA项目功能验证过程的日益成熟。数据表明,在功能验证过程中更成熟的项目可能会减少错误逃逸。为了测试这一说法,将研究参与者分为两组:没有漏洞逃逸的FPGA项目遇到漏洞逃逸的FPGA项目。然后检查了各种验证技术的采用百分比,结果如图6所示。这些发现具有统计意义,因为没有漏洞逃逸的组往往更多地采用了各种验证技术,这表明他们的验证过程更加成熟。但是,无法从研究中衡量的是项目在采用这戏嗯验证技术方面的有效性。例如,遇到漏洞逃脱的项目可能声称他们已采用功能覆盖,但由于缺乏经验,其功能覆盖率模型的保真度可能较差。根据研究数据,无法评估任何特定验证技术的成功或有效采用。


图6  FPGA采用仿真技术与重大漏洞逃逸的对比


参考文献

[1] R. Collett, “2002 IC/ASIC functional verification study,” Industry Report from Collett International Research, Inc. 2003. 

[2] R. Collett, “2004 IC/ASIC functional verification study,” Industry Report from Collett International Research, Inc. 2005.

 [3] H. Foster, Trends in functional verification: a 2014 industry study, Proceedings of the 52nd Annual Design Automation Conference, p.1-6, June 07-11, 2015, San Francisco, California.

 [4] H. Foster, Trends in functional verification: a 2016 industry study, DVCon 2017, San Jose, California.

 [5] IC Insights, The Mid-Year Update to the McClain Report, 2018.

 [6] International Business Strategies, Semiconductor Market Analysis, 2017 Review, 2018 Projections, February 14, 2018.

 [7] S. Trimberger, Three ages of FPGAs: a retrospective on the first thirty years of FPGA Technology, Proceedings of the IEEE, Vol 103, Issue 3, March 2015.


原文来自 verificationacademy.com

FPGA Verification Challenges and Opportunities


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