詳細講解Vivado設計套件帶來的益處

多維度分析布局器

Feist 解釋說，上一代FPGA 設計套件采用單維基于時序的布局布線引擎，通過模擬退火算法隨機確定工具應在什么地方布置邏輯單元。使用這類工具時，用戶先輸入時序，模擬退火算法根據時序先從隨機初始布局種子開始，然后在本地移動單元，“盡量”與時序要求吻合。Feist 說：“在當時這種方法是可行的，因為設計規模非常小，邏輯單元是造成延遲的主要原因。但今天隨著設計的日趨復雜化和芯片工藝的進步，互聯和設計擁塞一躍成為延遲的主因。采用模擬退火算法的布局布線引擎對低于100 萬門的FPGA 來說是完全可以勝任的，但對超過這個水平的設計，引擎便不堪重負。不僅僅有擁塞的原因，隨著設計的規模超過100萬門，設計的結果也開始變得更加不可預測。”

著眼于未來，賽靈思為Vivado 設計套件開發了新型多維分析布局引擎，其可與當代價值百萬美元的ASIC布局布線工具中所采用的引擎相媲美。該新型引擎通過分析可以找到從根本上能夠最小化設計三維（時序、擁塞和走線長度）的解決方案。Feist 表示：“Vivado設計套件的算法從全局進行優化，同時實現了最佳時序、擁塞和走線長度，它對整個設計進行通盤考慮，不像模擬退火算法只著眼于局部調整。這樣該工具能夠迅速、決定性地完成上千萬門的布局布線，同時保持始終如一的高結果質量（見圖1）。由于它能夠同時處理三大要素，也意味著可以減少重復運行流程的次數。”

圖1：與其它FPGA 工具相比，Vivado 設計套件能夠以更快的速度、更優異的質量完成各種規模的設計

為展現這種優勢，賽靈思在ISE設計套件和Vivado 設計套件中用按鍵式流程方式同時運行針對賽靈思Zynq-7000 EPP 仿真平臺開發的原始RTL，同時將每種工具指向賽靈思世界最大容量的FPGA 器件——采用堆疊硅片互聯技術的Virtex-7 2000T FPGA。這樣Vivado 設計套件的布局布線引擎僅耗時5 個小時就完成了120 萬邏輯單元的布局，而ISE 設計套件則耗時長達13 個小時（圖2）。而且采用 Vivado 設計套件實現的設計擁塞明顯降低（設計中顯示為灰色和黃色的部分），器件占用面積較小，這說明總體走線長度縮短。Vivado 設計套件實現方案還體現出更出色的內存編譯效率，僅用9GB就實現設計要求的內存，而ISE 設計套件則用了16GB。

Feist 表示：“從本質上來說，你看到的就是Vivado 設計套件在滿足所有約束條件下，實現整個設計只需占用3/4 的器件資源。這意味著用戶可以為自己的設計添加更多的邏輯功能和片上存儲器，甚至可以采用更小型的器件。”

圖2：Vivado 設計套件的多維分析算法可創建專門針對最佳時序、擁塞和走線長度（而不僅僅只是針對最佳時序）優化的布局。

功耗優化和分析

當今時代，功耗是FPGA設計中最關鍵的環節之一。因此，Vivado設計套件的重點就是專注于利用先進的功耗優化技術，為用戶的設計提供更大的功耗降低優勢。“我們在技術上采用了目前在ASIC工具套件中可以見到的先進的時鐘門控制技術，通過該技術可以擁有設計邏輯分析的功能，同時消除不必要的翻轉”Feist表示“具體來說，新的技術側重于翻轉因子‘alpha’，它能夠降低30%的動態功耗”Feist說，賽靈思去年在ISE設計套件中開始應用該技術，并一直沿用至今。Vivado將繼續加強這一技術的應用。

此外，有了這一新的可擴展的數據共享模型，用戶可以在設計流程的每一個階段得到功耗的估值，從而可以在問題發展的前期就能預先進行分析，從而能夠在設計流程中，先行解決問題。