逻辑综合器的故事.doc

逻辑综合器的故事原文转自：/ShowTopic.aspx?id=123258（一）FPGA设计流程中，逻辑综合的过程非常重要。 由于HDL代码的多样性，逻辑综合的质量对最终设计性能的影响非常大。在.18微米到.15微米的时代，FPGA的性能很大程度上取决于门延迟。根据我的经验，微米时代，FPGA内部延迟一般70%是逻辑门的延迟，而30%是线延迟。 也就是说，最高设计频率FMax取决于关键路径中寄存器间的逻辑层数。 而逻辑层数一方面取决于设计师在设计中对设计流水线的把握，另一方面就取决于逻辑综合器综合质量的好坏。因此，那个时代对逻辑综合的依赖程度那是相当强。 ALTERA的软件一直是不错的。从90年代的maxplusii就能够做包括HDL的逻辑综合在内的全流程。到后来的Quartus,也都能做。但是，性能都很弱。Xilinx的逻辑综合还不如altera,因为他们就没有逻辑综合器。 后来开发出了XST， 虽然也比较弱，但是好歹还可以用用，能凑成一套完整的流程。 所以两家公司都鼓励用户采用第三方的逻辑综合器。这样一来，逻辑综合器就很火爆了，用的人也多，买的人也多。价格很高，还不降价。那时的逻辑综合器一共有3个厂商在做，Synopsys, synplicity, Mentor.Synopsys的ASIC逻辑综合器DesignCompiler做的相当强。对于FPGA的逻辑综合器，Synopsys财大气粗，根本看不上，只是搞了一个小产品FPGAExpress. 虽然性能一般，但在当时也是很不错的了，因为比起A和X的工具来说，已经好太多了。 Synplicity公司抓住这个时机，推出的Synplify,和synplifyPro,性能就很强悍了，速度爆快，而且还有很多附加的功能，例如RTL图，工艺图，状态机转移图等等。非常好用，一时风靡整个FPGA设计领域。 Mentor公司也推了一个产品叫 Leonardo Spectrum,名字还是很好记，因为当时泰坦尼克号的男主角也叫这，而且AC米兰有个球星好像也叫莱昂纳多，反正听着挺熟的。 这个小工具俺用的不多，因为基本上用FPGAExpress就基本够用了。 -微米时代就说这么多。明天开始纳米时代的故事。（二）FPGA发展到纳米时代以后，最大的特点就是规模可以做的非常大。纳米这个概念已经被用滥了。FPGA这个行业内纳米一般是指连线的宽度。当连线变细后，相同面积的硅片上就可以容纳更多的晶体管。所以FPGA的规模就比以前大好多。 现在最大的已经有数十万逻辑单元，数兆的RAM。 这里没有写实际的数量，实在是世界变化快。 但是，也带来了一个副作用： 连线的宽度越小，对信号的延迟作用就越明显。之前说过，微米时代的FPGA，逻辑延迟占到了70%,线延迟占到了30%。 而到了纳米时代，这个比例基本都在50%左右。 但是总体说来，芯片的性能还是有了很大的提高。这个时候，对FPGA的综合技术也提出了新的要求。 当设计规模变大后，需要综合器能够在很短的时间内出结果。因为逻辑单元数太多，以前综合一次也就1小时最多了，而现在动不动就要数小时。这几个小时确实非常难熬。怎么办呢。EDA工具厂商早都料到这个结果，开始提出了各种各样的解决方案。 有的人开始开发出支持多进程的软件。也就是说，可以利用现在的多核CPU, 几个CPU同时跑一个工程，这样人多力量大，可以把编译时间缩短到几分之一。 想法是好的。现实很残酷。为什么呢。 当一个算法，如果后面的计算和前面的计算没任何关系，那么我们可以把它们切成好几部分，各自跑各自的。 到最后大家把结果一汇总，行了。这样就能够节约很多的时间。 但是如果算法中前面的计算和后面的计算依赖性很强，那么不管怎么切，后面的总是要等待前面的结果出来才能继续走。 这样，即使切的再多，也无济于事。 而FPGA设计的编译似乎正是后面一种。 此路不通。另一种方法是，把设计先划分成几块，第一次编译的时候，把每次编译的结果记录下来。 当下次再编译时，先去查查看，和上次的结果相比，到底是哪些部分被改动了。 改动过的模块，用新的内容代替，没改动过的，就不要再动了。 这个技术最早被叫做modular design. 也有叫增量编译的， 也有叫做多点综合的。 总之一句话，都是采用了这样的方式来实现这个过程的。到纳米技术的时代，综合工具的市场也出现了一些变化。 FPGA厂商由于长期依赖与第三方的综合工具， 心里实在不舒服。 为什么呢。 因为逻辑综合器对设计的性能影响太大了。 如果逻辑综合器综合出来的结果altera的要好于xilinx的，那altera的芯片就要占很大便宜了。名声很重要。 谁也不能戴上“不行”的帽子。 咋办呢。求人不如求己。 自己搞吧。 所以，XST就来了，并且他们一直在努力。性能上来了。QuartusII的性能也上来了。 第三方那里，Synplicity的synplifypro一直队形保持的不错。而Mentor也崛起了：precision.虽然运行时间上还落后于synplify，但是主要性能指标上已经和synplifypro不相上下。现在大家的选择多起来了： 厂商自己的工具，precision,synplify. 怎么选呢。（三）FPGA的逻辑综合器搞的挺有劲。 ASIC也不闲着。 自从ASIC领域里有逻辑综合工具以来，一个强大的工具自始至终占领着王者的地位，它就是 DesignCompiler. 大家就叫他小名， DC。 从微米时代到纳米时代，不断有人试图和DC较劲，但都功败垂成。 什么原因呢。FPGA的最大特点是可以重新下载。而ASIC就是一锤子买卖。 这就是本质的不同。 所以，FPGA对设计可靠性的要求相对来讲就要降低很多。即使设计有问题，重新搞一下，再下载一次就好了。而ASIC，如果不小心出一点点错误，那就全玩完。 带来的后果就是大笔的$付之东流。情节严重的，整个公司就会遭遇灭顶之灾。这样的公司我见亲眼见过的就有2个。 所以，ASIC的设计对可靠性的要求是第一位的。那如何才能提高设计的可靠性呢？ 一方面需要对设计师加强教育，让他们在写代码时按规矩来。 另一方面，要对设计的各个流程严格要求，对使用的工具严格要求。 当HDL作为ASIC设计语言流行起来后， 业界著名的S公司和M公司最早就开始行动，各自出了一个牛人，合作编写了一本叫做. 这本书中的一部分就规定了HDL代码的可综合的规则。 然后,由于书是自己编写的, 规则是自己定的，所以S公司的DC就变成了业界的标准。如果结果不对，那一定是你的错。 当然，有软件就有BUG。 有BUG就给软件打补丁。打完补丁，下次再升级时，就顺手修复。 DC在数十年的时间，积累了无数多的处理BUG的经验，所以可靠性无与伦比。 当然，这些还不仅仅是全部。ASIC的另一个特点是会使用很多的IP.FPGA也使用IP。但是和ASIC不同。 FPGA的IP可以出现BUG， 而ASIC的IP如果出现BUG，结果是致命的。 所以，ASIC的IP供应商最重要的任务是证明自己的IP如何可靠。 很难。 但是对S公司来讲，就容易很多了。 因为他可以借助于DC的金字招牌。 S公司搞了一个很大的IP包，叫做DesignWare. 这个IP包中都放了一些经常用到的IP，例如UART，乘法器加法器之类的东西。总之大家也都习惯了用DC，干嘛不用他的DesignWare呢。这样，就造成了只要S公司的DW包中有的IP，就基本上没有其他人再做了。 这样就造成了一个恶果,离开S公司，ASIC的前端设计就很难做。 到这个时候 S公司那是相当的强。 因为DC成为了一个垄断产品。 垄断，意味着暴利。 DC的价格直到现在，还是要数十万美刀。而且只要做ASIC，就不得不买。 如果你没买过，当人家问你：你用的啥综合器？你就无言以对。 在ASIC设计这个领域，这是不行的。（四）S公司借助DC的威力一支独秀，有时也欺负下其他人。 一些只要和综合沾边的小公司，都不得不屈服，大家都忍气吞声。终于，有人看不过去了。第一个看不过去的是Synplicity公司。 前文也提过，这家公司主要是做FPGA的逻辑综合器。 由于在FPGA综合领域里面做的风声水起，Synplicity公司的老大开始头脑发热了。第一个目标是要把Synplicity公司变为一个全流程公司。 FPGA的市场太小，每年虽然也能划拉个5千万刀，但是比起几亿刀的S公司，还是差好多。 因此，老大开始向ASIC扩展业务。由于自己研发产品时间长，而且要市场认知的话费时费力，他们走了一个捷径-收购， 买了一家做后端功耗分析的公司，整合了一下加入到了自己的产品线。 第二个目标，是要挑战DC的权威-把Synplify的引擎稍微改一下，加入了ASIC的库，凑成了一个ASIC的综合器，业界称之为SynplifyASIC.想法是好的，方向也对。但是返了一个根本的错误：缺乏自知之明。（五）要说Synplicity公司的产品性能，那还是不错的。但关键是选错了对手。 最初，S公司还不是很在意，由着他们去折腾。 所以Synplicity公司的产品有两年还真的很火，到处推销，同时，还喜欢在客户那里把两家的产品都拿来比一比，有时候性能能好一些，就到处宣扬。 终于有一天，搞大了，把工具卖给了芯片业老大Intel。这下S公司上上下下就火的不得了，开始对对手重视起来，随即制定了狠毒的策略。由于S公司家大业大，很快就攒出一个FPGA的逻辑综合器：FPGACompiler II. 工具的性能虽然差一些，但是可以用。这个工具有个最大的特点就是便宜。当遇到有人想买FPGA逻辑综合器的时候，S公司就会潇洒的说：FPGA逻辑综合器，一折甩卖，只要再买点Synopsys公司的其他产品就可以了。 由于S公司家大业大的优势，随便在哪个地方赚点，都能把FPGA逻辑综合器的损失弥补上。 这招真毒。 Synplicity碰到S后，要么一分钱也挣不到，要么也忍痛大甩卖。FPGA逻辑综合器是Synplicity公司的主营收入，如果这么搞下去，几年之内，不死也掉层皮。 而S公司根本不在乎，根子深，没办法。 在经过一段时间的对砍后，Synplicity公司挺不下去了。忍气吞声的和S公司达成默契，把SynplifyAsic这个