定制芯片会冲击FPGA原型开发市场吗？

越来越多先进片上系统（SoC）设计项目正在落地，参与主体除传统独立芯片设计公司外，还有一众非传统企业：云服务商、汽车厂商以及消费电子制造商。这类芯片设计工艺先进，瞄准先进制程节点，软件占比持续提升。同时芯片规模庞大、门电路数量极高，依赖复杂的片上网络、静态随机存储器、电源、时钟以及测试架构。

各类系统厂商自研芯片，核心定位存在明显差异。这类芯片通用属性偏弱，更加面向特定应用场景；工程师针对专属软硬件系统环境完成芯片设计。

各大系统厂商正在推进业内难度极高的芯片研发。依托FPGA实现芯片原型验证技术持续迭代，以此适配复杂度不断攀升的专用集成电路（ASIC）。

针对此类面向特定应用的芯片设计，验证工作不再局限于确保硬件满足数据手册标注指标，还需要确认芯片以及运行在芯片之上的软件能够在完整系统中协同工作。相关工作不仅包含传统寄存器传输级（RTL）验证，还需要完成全系统确认；其中关键一环，就是验证软件栈，以及芯片、印刷电路板（PCB）与机械子系统之间的交互。

这类大型项目需要软硬件与系统级协同设计。现代芯片本身的验证工作已经极其复杂，在完整系统环境下开展验证，挑战更是进一步加大。

基于FPGA的SoC原型验证系统：优势与痛点

孤立测试无法充分厘清硬件、软件和整体系统之间的相互作用。验证需要在设计对应的寄存器传输级模型上运行真实量产业务负载，全程观测寄存器传输级模型状态、软件运行行为以及外部系统接口状态。工程师必须能够全速捕获并分析关键事件序列。

更为重要的是溯源定位故障，即便故障根源深藏在寄存器传输级模型或者软件栈内部。只有具备这种深度可视能力，才能排查解决软硬件、系统交叉场景下产生的各类问题。

以往工程师依靠自制FPGA原型验证板解决这类验证难题。当先进SoC仅包含数百万门电路时，这套方案尚且可行：将寄存器传输级设计映射至一两颗FPGA芯片，增设虚拟逻辑分析仪功能，借助第三方工具编译模型，再把FPGA验证板接入目标系统主板。但随着SoC规模持续扩张、复杂度不断提高，该方案局限性愈发突出。

能否搭建成熟的原型验证系统，高度依赖设计团队自身技术储备；如果不属于团队核心能力，整套系统搭建流程耗时、难度大，验证结果还容易出现不确定性。由此衍生一个疑问：观测到的程序缺陷，究竟是芯片设计本身问题，还是FPGA原型验证系统自身引发的异常。

除此之外，面对大规模设计，验证工程师需要在仿真、硬件仿真、FPGA原型验证多套环境之间切换，各类环境界面、数据库互不通用。环境割裂会造成FPGA运行模型和芯片原始寄存器传输级模型出现偏差，进一步引发验证结果不一致。

无论是逻辑容量上限，还是工程师面临的上市周期压力，这套传统方案都已经难以适配当下的研发需求。现代芯片设计规模庞大，芯片、软件、系统三者之间交互关系错综复杂，寄存器传输级验证和原型验证工作的联动难度随之上升。

举例来说，一款现代人工智能加速器包含上千个计算单元、大容量片上内存，依靠片上网络（NoC）互连，并搭载多个高性能CPU内核。关键交互场景可能涉及CPU、多组计算单元与内存、远程直接内存访问控制器、高带宽内存通道控制器、外置高带宽内存（HBM）模组以及外部接口处理单元。

想要监测、调试这类复杂交互，就需要在原型系统中部署大量寄存器传输级逻辑，往往需要多颗FPGA协同工作。对设计团队而言，管控大量FPGA芯片、芯片间高速互联线路以及外接系统主板，是极大的负担。随着设计迭代，验证团队还需要灵活切换硬件仿真环境与原型验证系统，环境之间一旦存在断层，整体研发进度就会受阻。

面向更大规模SoC原型验证：专用ASIC方案

不少系统厂商已经选择同一套解决方案：采用专用ASIC芯片。目前商用ASIC原型验证平台（例如西门子Veloce proFPGA CS平台），正是为突破传统FPGA原型验证各类局限而生。

评估原型验证平台时，还需要重点考察平台能否顺畅对接整套验证流程，包含硬件仿真、软件验证环境。

以西门子Veloce proFPGA CS平台为例，该平台能够和Veloce Primo CS企业级原型系统、Veloce Strato CS硬件仿真平台实现精准模型同步。设计团队可以在Strato CS完成寄存器传输级验证后，快速迁移至proFPGA CS平台开展早期软件验证与系统验证。

选型FPGA原型验证方案，可扩展性是另一核心指标。在芯片完整研发周期中，原型平台需要支撑多种规模的仿真模型。

研发初期，模型可能仅涉及小型协议控制器与外部通信接口交互，单颗FPGA即可承载。研发中后期，往往需要模拟真实负载下计算集群与高带宽内存的数据流量，此时需要多颗FPGA协同工作。在高级驾驶辅助系统（ADAS）应急响应评估等场景下，则需要近乎完整的芯片模型，并且运行全套软件负载。

想要适配不同规模模型，现代FPGA原型验证系统必须具备可扩展能力。整套平台采用统一编译流程与运行接口，能够灵活适配单FPGA设备、多FPGA桌面设备、FPGA刀片服务器机柜乃至多机柜部署，并且支持单芯片粒度调度。整套体系采用统一互连架构，模型预处理工具能够把设计模型分发到不同芯片、板卡与机柜。

结语

研发先进制程SoC，必须在真实硬件系统中、基于量产业务负载完成全芯片寄存器传输级验证。现代化FPGA原型验证系统是整套验证流程不可或缺的核心工具，既能够深度分析芯片与系统之间的交互逻辑，也支持在全芯片、全负载模型下观测运行状态。

电子行业迭代速度持续加快，企业亟需淘汰老旧自研FPGA原型验证系统，投入部署专业化商用解决方案。