通過云計算分析Virtex-6設計的實現選項和用戶約束

科學與工業研究理事會(CSIR)和Plunify公司的工程師們告訴您，他們是如何用云計算來分析大型Virtex-6設計的實現選項和用戶約束的。

隨著FPGA器件尺寸的增大及其內部設計密度的提高，時序收斂面臨著前所未有的挑戰。由于各種實現工具都競相滿足這種更高復雜性需求，把不同的實現轉入量產時間越來越長[1]。為了加快速度，有些設計人員希望能通過云計算來比較分析使用不同實現選項和用戶約束決策的效果。

最近，我們在南非的科學與工業研究理事會(CSIR)完成了這樣一個分析過程。我們采用Plunify公司的云加速芯片設計方法為我們的設計找到了既能提供最短實現運行時間又能得到最佳時序評分的各項參數。在深入探討我們的分析細節以及我們所使用的工具前，讓我們先來了解一些背景資料。

開發板升級
在最近的一個項目中，我們需要將駐存的賽靈思Virtex-5 FPGA更換為新一代Virtex-6器件，從而升級現有的開發板。第一塊開發板出現了幾大問題，其中最重要的就是對于目標應用來說其管腳并不是最理想的，而且器件尺寸過小，不能滿足系統需求。

我們已經擁有了運行新型開發板所需的大部分RTL代碼，因此在這方面占有絕對優勢，從而可對在PCB電路圖設計的管腳分配階段做出的決策進行分析。由于FPGA設計的實現運行時間較長，我們不得不限制在PCB設計階段中執行的構建次數，從而做出決策。

在設計的硬件測試階段，我們增加了一些原Virtex-5開發板沒有的功能。不出所料，這為布局布線工具創建了更多的工作，因而我們進行了詳細的布局規劃演練，同時完成了大量運行，以找到最佳種子布局(placement seed)。我們決定使用Plunify公司的云實現服務來管理我們所需的大量運行。

FPGAAccel是一種軟件應用程序界面(API)，有助于您在遠程服務器上同時定義、分配和執行FPGA綜合及布局布線構建。

四個約束集
由于 Plunify服務所提供的處理功能，我們決定用四個不同的約束集分析我們的最終設計。

前兩個約束集共享同一管腳，其中第一個約束集不包括布局規劃，第二個則包括詳細的布局規劃。我們為這兩個約束集選擇的管腳能夠重現我們在第一版開發板上所遇到的管腳分配不當造成的后果。而另外兩個約束集則采用新版開發板上器件的管腳；同樣，其中一個約束集不包括布局規劃，另一個包括詳細的布局規劃。

我們需要用這些約束集來驗證對FPGA 管腳的更改是否真的會影響時序收斂，以及僅在第一版開發板上改變種子布局是不是并不足以達到時序規范要求。我們為每個約束集運行100次構建，且在1-100次中采用不同的種子布局。

所用工具
對于FPGA設計軟件，我們在設計人員的局部環境中采用賽靈思ISE?設計套件邏輯版本14.4來完成現有工作流程中的各項任務；在云端，我們用它來完成綜合與布局布線任務。

在前端，CSIR的Scineric Workspace（見圖1）是一種用于FPGA設計管理的基于IP-XACT的全新、快速、輕量級集成開發環境。該工具采用全新“文件管理器”方法來進行設計管理，有助于設計人員隨時全局預覽設計的各個方面。它具有設計融合功能，可將Scineric整合到現有工作流程中，以提供用戶偏好的特定設計環境。我們可使用載入ISE項目的Scineric Workspace圖形界面向云端配置、提交并從云端檢索構建。然而，這個前端并不是硬性要求；Plunify客戶端還能平滑集成到ISE和Vivado?流程中。

在后端，Plunify的FPGA-Accel客戶端是一種軟件API，工程師們可通過它在遠程服務器上同時定義、分配和執行FPGA綜合以及布局布線構建，并在完成所有構建后對結果進行分析。本例中，我們采用一個云計算服務器群來處理400次構建。Scineric Workspace支持包括FPGAAccel客戶端在內的多種配置。

圖2顯示了設計人員在工作中如何使用這些工具。具體流程如下：
1. 打開Scineric Workspace。
2. 導入ISE項目。
3. 為每個ISE項目限定100次 實驗。

Scineric Workspace允許用戶導入賽靈思ISE和Vivado項目以及IP-XACT組件定義文件等各種來源的設計。每個設計都可以有多種構建配置，包括允許您對可隨后上傳至Plunify的Plunify實驗進行定義的配置。

4. 上傳構建請求。
Plunify插件首先會對設計人員的身份進行認證，然后再對ISE項目中的所有設計文件進行加密。接下來，它會將文件與構建參數一起安全傳輸至遠程服務器群。

在云端，Plunify軟件會生成所需的構建，分配400臺服務器并運行ISE，從而在每臺服務器上為各個不同的實驗進行綜合與布局布線。

5. 構建完成后，您會收到一封電 子郵件通知。
6. 用您的工作ID登陸至 www.plunify.com 查看報告
7. 對各個ISE項目重復以上步 驟。

并行完成400次構建
我們將這400次構建的結果用于多個標準測試，包括平均運行時間、不可布線的解決方案數量，以及可布線的解決方案的時序評分，這也是最重要的。圖3顯示了四個約束集的時序評分分析結果。

通過我們的四個約束集，我們得以再次證明，目標應用的無效管腳會嚴重影響設計的時序評分。另外，我們可為該設計確定最佳種子布局，并且在這個特定案例中，我們意識到實現工具在不受布局規劃引導的情況下表現最佳。

圖4顯示了四個約束集的運行時間。

以前，這樣的運行需要30多天才能完成，但通過我們所說的方法，我們只需一天便能得到結果和分析。該方法的另一優勢是全部數據都由Plunify管理，而這項優勢是當我們看到這400次運行到底生成了多少數據時（200千兆字節）才發現到的。我們只需要下載自己感興趣的特定運行結果。

最佳時序評分
在任何FPGA設計中，時序收斂都是重要的一環，我們已經證明，很多參數都會對您的時序評分產生影響。借助全新的工具以及云計算技術，我們對這些影響的分析速度與以往相比明顯加快。

我們能夠確定哪種約束集以及種子布局能為我們的設計帶來最佳時序評分。通過使用最佳參數，我們可以繼續下一階段的系統開發，因為我們的構建能夠達到其時序規范要求。