被譽為“萬能芯片”的FPGA，近年來越來越多的受到國內市場的關注。不過，其技術門檻之高，在芯片領域幾乎是無出其右的。其中，在制約FPGA發展的眾多因素中，最關鍵的便是EDA軟件工具。
缺一不可！發展FPGA需軟硬件兩手抓
FPGA全稱為Field Programmable Array，是通過可編程互連連接的可配置邏輯塊(CLB) 矩陣構成的可編程半導體器件。FPGA需要配套軟件將用戶設計燒錄到芯片上才能實現相應功能。
目前，在芯片市場主要有CPU、GPU、FPGA與ASIC四大類型。與其它主流芯片相比，FPGA的的靈活性要高於專用芯片ASIC，性能和實時處理能力優於CPU，無需NRE成本，上市時間也更快。不過，其功耗、成本、尺寸都大於專用芯片ASIC，應用開發門檻偏高，並不適合海量應用。
知名半導體專家（《芯事》作者）謝志峰博士認為：“發展FPGA必須在硬件和軟件兩方面共同發展，如果國內芯片製程工藝達不到要求，FPGA產業很難達到最先進的水平。”
FPGA需要芯片、EDA工具及IP完整生態（圖片來源：紫光同創）
FPGA是需要“芯片+EDA+IP”來實現功能的產品，如果把FPGA比作電腦，那麼芯片相當於Intel CPU，EDA軟件相當於微軟OS，IP方案則相當於應用軟件。電腦正常工作需要Intel CPU、微軟OS、應用軟件共同配合，FPGA也需要芯片、EDA、IP這些軟硬件共同支撐實現功能。
不過，此處的EDA並不是指廣義的通用EDA。廣義的EDA 是芯片設計中必需和最重要的集成電路軟件設計工具。廣義EDA市場份額佔據前三的Synopsys、Cadence（鏗騰電子）和被西門子收購的Mentor，是ASIC設計領域主要的軟件供應商，其它公司的軟件相對來說在IC設計時使用者較少。
此文所指的EDA是FPGA專用的軟件開發工具。不論用戶選擇使用的是哪個廠家的FPGA，在用戶端實現功能時，都需要通過該廠家自主研發的EDA，也就是FPGA軟件工具的一系列流程來操作完成，比如Xilinx的Vivado、Intel的QuartusII、國內紫光同創的PDS，都屬於各家的FPGA軟件工具。
從設計流程上來講，FPGA與其他芯片的前端設計流程是相同的，設計FPGA芯片本身也需要用到廣義的通用EDA，但當芯片設計基本完成後，如ASIC專用芯片不需要編程，直接可焊到板子上運行，FPGA則需要通過軟件工具中的流程將用戶寫好的程序編譯到FPGA中。
通俗來講，如果將硬件比作紙，用戶把需要實現的功能下載到芯片上類似於把畫畫到紙上，那麼軟件工具就是作畫的那支畫筆。一幅畫作的完成必須兼具紙張與畫筆。也就是說，對於FPGA而言，軟硬件必須是“兩條腿走路”，互相支撐配合，缺一不可。
舉足輕重！軟件工具決定了FPGA發展水平
雖然FPGA前後端設計與數字芯片具有很多相通性，但FPGA設計流程中往往是軟件工具先行，尤其在高端大規模領域。就FPGA本身而言，制約其發展的因素有成本、功耗及軟件開發工具等。其中軟件工具的作用舉足輕重。
紫光同創市場總監呂喆認為：“軟硬件協同發展的FPGA，軟件工具的水平基本上與硬件的水平是對應的。從某種程度上甚至可以說，軟件工具處於決定性地位，其軟件工具研發水平決定了硬件規模和性能所能達到的高度。”
軟件工具的研發不僅極具重要性，對於FPGA的發展更是十分必要的。為了在應用端最大限度地發揮硬件性能，FPGA廠商必須為用戶提供自主開發的軟件工具。除了考慮與芯片硬件架構的匹配和一致性，軟件工具編程設計時還要考慮應用場景多樣性、時許模型的複雜性和用戶使用體驗及效率等。因此，FPGA廠商需要在軟件工具方面不斷投入。以FPGA巨頭Xilinx公司為例，其研發人員約為1500人，軟硬件人員基本相同，
其中EDA工具人員就超過500人。 FPGA廠商的軟件工具圖示（圖片來源：芯師爺自制）
FPGA企業都擁有自主研發的軟件工具。如Vivado和ISE是Xilinx公司提供的集成化FPGA開發軟件，它的主要功能包括設計輸入（DesignEntry）、綜合（Synthesis）、仿真（Simulation）、實現（Implementation）和下載（Download）等。
Quartus II是Altera（已被intel收購）推出的一種可編程邏輯的設計工具，其強大的設計能力和直觀易用的接口，日益受到數字系統設計者的歡迎。
Lattice的軟件工具Diamond包含的編程器，可對同一掃描鏈上的一個或多個FPGA器件進行直接編程。它支持標準FPGA設計流程功能，其邏輯綜合工具專為超低密度以及低密度FPGA提供設計支持。
Pango Design Suite是紫光同創基於多年FPGA開發軟件技術攻關與工程實踐經驗而研發的一款擁有國產自主知識產權的大規模FPGA開發軟件，可以支持千萬門級FPGA器件的設計開發。
任重道遠！自研FPGA軟件工具難度高
近二十多年來，除了針對FPGA特點所採用的設計實現方法不斷升級外，國內外FPGA軟件工具的方法學和總體研發模式其實未曾改變。
用戶端在使用FPGA時，需將RTL代碼通過邏輯綜合工具、映射工具、佈局佈線工具、配置數據流生成工具、編程下載工具等生成下載到芯片裡，結合時序和功耗分析工具以及在線調試工具，完成用戶應用在FPGA中的實現的整個過程。
FPGA軟件工具設計流程圖（圖片來源：紫光同創）
在整個FPGA軟件工具設計流程中，除了仿真工具藉助第三方工具實現，其他環節基本都需要FPGA廠商自己的軟件工具覆蓋，特別是以邏輯綜合工具和設計實現部分為代表的環節，存在著較大研發難度。
在綜合軟件設計流程中，包含了從硬件描述語言HDL到門級映射和優化的多個環節，幾乎每一個小環節都需要研發人員付諸努力不斷鑽研，從而取得突破。
在用戶設計經過綜合映射成門級網表之後，還需要經過編譯、轉換、映射、佈局佈線、位流生成、編程下載最終在FPGA芯片實現功能。其中，佈局、佈線兩個環節作為核心技術難關尤為難以攻克。
紫光同創軟件專家表示，佈局是將邏輯映射到目標器件結構資源中，佈局主要考慮三個方面的因素：一是使Instances儘量集中分佈，減少佈線資源的線長；二是控制Instances均勻分佈的密度；三是控制所有Instances之間的總延時儘可能小。佈局關鍵技術在於如何在短時間內得到全局最優解。
佈線是將已佈局好的instances按照連接關係通過佈線通道連接起來。佈線主要考慮的因素包括擁塞和時序兩個方面的因素。
擁塞和時序兩個因素對於佈線器來說是矛盾的。如果產生擁塞，那麼不可避免的使某些路徑延時較長；如果要使每條路徑延時最小，那麼不可避免的要產生擁塞。為了解決擁塞和時序競爭的關係，可以使用相關算法，使得時序關鍵網絡佔用擁擠路徑資源，而在時序方面並不關鍵的網絡佔用一條更長且不擁擠的路徑資源。
可以看出來，在一定程度上，FPGA幾乎是芯片設計領域中最需要技術突破的產品，FPGA軟件工具尤為複雜。
清華大學微電子所所長魏少軍教授曾指出：“在EDA工具方面，國內對‘邏輯綜合’和‘佈局佈線’兩個核心基本沒有貢獻，甚至都不去碰它。國內大多數設計企業普遍依賴EDA公司或Foundry給出的設計流程，對於產品性能和競爭力造成影響。”
奮起直追！國產FPGA企業不斷突圍
從FPGA發展歷程來看，從1984年美國Xilinx公司推出了全球第一款FPGA產品XC2064算起，之後十多年間，FPGA軟件工具為FPGA的發展起到了至關重要的作用。隨著FPGA朝著系統平臺化的方向演進，軟件工具和生態的重要性顯得越來越重要。
前不久，賽靈思宣佈推出一款名為“Vitis”的統一軟件平臺，它能夠讓軟硬件開發者們在無需掌握硬件專業知識的情況下，根據軟件或算法代碼來自動適配並使用Xilinx的硬件架構。這也是國際領先廠商佈局FPGA生態的戰略方向，即通過軟件棧和工具鏈，結合業界各細分行業的算法框架和應用庫，把傳統的軟件開發者吸納到FPGA加速應用當中，分享FPGA高性能計算硬件平臺的價值，與CPU和GPU共享計算加速市場的紅利。
反觀國內FPGA產業，我們起步比國外晚了二十多年。在這期間國外FPGA產業已經完成了系列整合併購，市場格局已經基本確定，Xilinx、Intel和Lattice等企業基本上壟斷了全球市場。從2010年開始，國內才陸續出現自主知識產權的國產FPGA企業，而紫光同創正是其中的佼佼者。
紫光同創市場總監呂喆介紹，我們總說紫光同創的PGT180H代表當前國產FPGA的最高水平，實際上背後的軟件工具才是真正的定海神針，更大的邏輯規模和更高的性能，意味著指數級增長的軟件算法複雜度，這是大家可能沒有意識到的。
紫光同創通過不斷嘗試，其具有自主知識產權的大規模FPGA開發軟件Pango Design Suite（PDS） ，已經可以支持數千萬門級FPGA器件的設計，並可實現從RTL綜合到配置數據流生成下載的全套操作，形成了完全自主知識產權的FPGA開發工具套件。接下來，紫光同創將致力於做更大規模的器件，力圖進一步突破。
從產業鏈角度而言，FPGA的發展涉及到單元架構、IP、EDA軟件、製程工藝、封裝技術、專業人才等諸多方面，其發展之路並不平坦。加之較高的技術壁壘，對於國內FPGA的發展來說，依靠自主技術和自主產品，尤其軟件工具的技術突破，就較為關鍵了。
寫在最後
如今，國內FPGA產業正處於低端向中高端過渡的關鍵時期，國內企業已經意識到軟件工具自主化的重要意義，並逐步加大投入力度。
隨著國家、各地政府對集成電路產業尤其FPGA產品的大力扶持，國內半導體產業鏈的不斷成熟完善，以及新興市場需求的增大，我們期待著有更多的國產FPGA企業能夠在軟件工具方面長風破浪，不斷突破，抓住市場增量，推進國產FPGA的進一步發展！
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