用于大容量FPGA設計的EDA工具集成與遠程調用

隨著(zhù)EDA平臺服務(wù)趨于網(wǎng)絡(luò )化，如何通過(guò)對資源和流程的有效管理，為用戶(hù)提供更為方便安全的遠程EDA平臺調用服務(wù)，已成為關(guān)鍵問(wèn)題。在FPGA開(kāi)發(fā)平臺上集成了EDA工具環(huán)境，并部署SGD軟件。在實(shí)現遠程控制的基礎上構建一個(gè)可兼容異構系統的EDA工具遠程調用接口，解決了EDA工具的遠程啟動(dòng)和圖形界面傳輸問(wèn)題，得到一種相對簡(jiǎn)單方便又有一定安全保障的遠程控制模式，實(shí)現可視化的在線(xiàn)虛擬集成電路芯片設計。

1 引言

當前，中國所采用的FPGA芯片基本依賴(lài)于進(jìn)口，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的FPGA芯片具有重要意義。FPGA芯片研發(fā)必須使用EDA工具。EDA(Electronic Design Automation)是在CAD技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的計算機軟件系統，是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行集成電路芯片產(chǎn)品的自動(dòng)設計。EDA集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)是指根據集成電路芯片設計流程，將設計流程中各個(gè)階段所需要的EDA工具軟件集成在一個(gè)硬件平臺上，進(jìn)行項目設計開(kāi)發(fā)的軟硬件工作環(huán)境。在此環(huán)境中，項目的設計數據通過(guò)文件方式在各個(gè)EDA工具之間流轉，直到設計全過(guò)程結束。集成電路芯片EDA設計工具很多，其中按市場(chǎng)所占份額排主要有Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。這三家都是ASIC設計領(lǐng)域相當有名的軟件供應商。集成電路芯片EDA設計工具包含了集成電路芯片開(kāi)發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域：前端設計、后端設計和設計驗證。前端設計工具將完成從芯片邏輯部分的概念化設計到芯片邏輯門(mén)級表示的工作。后端設計描述了如何使設計結構在芯片上物理實(shí)現，關(guān)鍵是芯片庫單元的布局和布線(xiàn)。設計驗證將保證芯片滿(mǎn)足功能、時(shí)序、功率和其他指標的要求。

21世紀EDA技術(shù)的發(fā)展日新月異。中國先后在7個(gè)國家產(chǎn)業(yè)化基地建立了EDA技術(shù)與服務(wù)平臺。從功能上看，這些EDA平臺上安裝有當前所有主流EDA軟件和測試工具，并配備有相應的設計環(huán)境，以租用的方式提供給企業(yè)使用。然而，目前能夠以網(wǎng)絡(luò )平臺為載體向用戶(hù)提供在線(xiàn)IC設計的平臺還很少，僅適用于進(jìn)駐的企業(yè)，對于遠程訪(fǎng)問(wèn)的企業(yè)則無(wú)能為力。

本文FPGA開(kāi)發(fā)平臺集成了FPGA芯片設計流程中各個(gè)階段所需要的Cadence、Synopsys、Mentor等公司的各種EDA工具，用于研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的千萬(wàn)門(mén)級FPGA課題產(chǎn)品。在自主千萬(wàn)門(mén)級FPGA芯片設計課題中有海外設計團隊參與，為了不受地域限制來(lái)使用開(kāi)發(fā)平臺上的EDA工具，又不影響數據安全，使用SGD軟件是目前最佳的方法。SGD(Secure Global Desktop)軟件基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程仿真計算技術(shù)，能夠實(shí)現可視化的在線(xiàn)虛擬集成電路芯片設計，用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可使用FPGA開(kāi)發(fā)平臺上集成的EDA工具和資源。在數據安全方面，由于在FPGA開(kāi)發(fā)平臺服務(wù)器和用戶(hù)終端之間傳輸的僅僅是鼠標鍵盤(pán)的輸入和屏幕的變化量，用戶(hù)終端只負責交互，所有計算和存儲都在平臺服務(wù)器端完成，所以能夠保證設計數據的安全。

2 EDA工具集成和SGD軟件部署總體框架

EDA工具集成和SGD軟件部署總體框架如圖1所示。

圖1 EDA工具集成和SGD軟件部署總體框架

服務(wù)器端的功能由SGD Server陣列、SGD Gateway Server、管理服務(wù)器以及多臺EDA Tool Server共同承擔。用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與SGD Gateway Server相連。管理服務(wù)器提供用戶(hù)認證、許可證管理、版本控制和缺陷追蹤等功能。EDA Tool Server用于各類(lèi)EDA工具的安裝和運行。 SGD Server陣列為用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)資源和調用工具提供界面和負載均衡。SGD Gateway Server提供安全加密訪(fǎng)問(wèn)通道。在此架構中，用戶(hù)端的運行環(huán)境一般為Windows系列，而服務(wù)器端的運行環(huán)境包括了Linux、Solaris、Windows Server等多種操作系統。

3 EDA工具集成

3.1 NIS服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò )信息服務(wù)(NIS)利用客戶(hù)機/服務(wù)器模式和遠程過(guò)程調用(RPC)接口在主機之間進(jìn)行通訊。網(wǎng)絡(luò )信息服務(wù)由服務(wù)器、客戶(hù)機程序庫和一些管理工具組成。在FPGA開(kāi)發(fā)平臺中，用戶(hù)一般需要在多臺Linux機器上工作，每臺機器上用相同的用戶(hù)名、屬于相同的組、使用相同的密碼。建立NIS服務(wù)器，將這些需要共享的信息存放在NIS服務(wù)器上統一管理，其他機器都從NIS服務(wù)器獲得信息，一旦要更改某個(gè)用戶(hù)的信息，只需要在NIS服務(wù)器上進(jìn)行更改， 其他機器就自動(dòng)收到更改后的信息。完成整個(gè)NIS網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的建設之后，就能根據設計項目對設計人員進(jìn)行分組管理，根據所做項目為其配置相應的EDA使用環(huán)境。

3.2 網(wǎng)絡(luò )文件系統(NFS)

網(wǎng)絡(luò )信息服務(wù)通常和網(wǎng)絡(luò )文件系統一起使用。NFS可用于不同類(lèi)型計算機和操作系統之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行文件遠程訪(fǎng)問(wèn)和共享。在FPGA開(kāi)發(fā)平臺中，配置AutoFS Map文件來(lái)集中管理NIS域內所有的NFS共享目錄。AutoFS的工作流程是，當客戶(hù)端配置好AutoFS Map文件，在客戶(hù)端如果有NFS目錄讀寫(xiě)請求，系統進(jìn)程automountd就自動(dòng)把NFS服務(wù)器的資源掛接到客戶(hù)機上。所有機器通過(guò)NFS共用tools目錄，不需要在每臺機器上安裝EDA工具軟件，使得整個(gè)EDA設計環(huán)境進(jìn)行集中和統一管理。所有機器通過(guò)NFS共用home目錄，用戶(hù)登錄到NIS域中的任一臺機器，自己的home目錄內容都相同。

3.3 Modules軟件

隨著(zhù)EDA工具的更新，系統中一定會(huì )存在同一工具的不同版本。版本不同，其路徑、庫和license等環(huán)境變量都有可能不同，如果用戶(hù)在使用中臨時(shí)修改環(huán)境變量會(huì )比較困難。FPGA開(kāi)發(fā)平臺用Modules軟件進(jìn)行EDA工具的環(huán)境變量管理。modules是一系列腳本的集合，簡(jiǎn)化了shell的初始化，允許用戶(hù)在工作過(guò)程中很容易地修改環(huán)境變量，減少其維護難度，提供了一種動(dòng)態(tài)修改應用環(huán)境的機制。modules使用以下方式工作，$ module avail列出可以加載的工具, $ module load加載工具，$ module list列出已加載的工具，$ module unload卸載工具。在腳本中還可以設置工具之間的依賴(lài)或沖突關(guān)系。

3.4 版本控制和缺陷追蹤軟件

在整個(gè)FPGA開(kāi)發(fā)流程中，每個(gè)設計環(huán)節都需要團隊來(lái)完成。在多團隊緊密合作開(kāi)發(fā)流程中，版本控制和缺陷追蹤等管理軟件是必不可少的。在FPGA開(kāi)發(fā)平臺上，安裝了SVN、SOS版本管理軟件和bugzilla缺陷追蹤軟件。SVN是開(kāi)源軟件，適合芯片設計流程中的文檔版本管理。SOS是ClioSoft公司開(kāi)發(fā)的集成電路設計數據版本控制軟件，支持Cadence公司virtuoso平臺的DFII。 開(kāi)源的Bugzilla是一個(gè)搜集缺陷的數據庫，它用于記錄和管理產(chǎn)品缺陷從發(fā)現到修復的全流程。

3.5 EDA工具軟件

根據EDA工具對操作系統版本的要求，分別在兩臺tool server上安裝redhat enterprise 4 update 8和redhat enterprise 5 update 8兩個(gè)版本的操作系統。集成電路芯片設計集成環(huán)境需要滿(mǎn)足foundary廠(chǎng)家PDK庫的要求。PDK(process design kit)是溝通IC設計公司、代工廠(chǎng)與EDA廠(chǎng)商的橋梁。PDK用代工廠(chǎng)的語(yǔ)言定義了一套反映foundary工藝的文檔資料，包含了反映制造工藝的基本數據集。根據PDK對EDA工具及版本的要求，在兩臺tool server上按照FPGA芯片設計流程，集成了設計流程中各個(gè)階段所需要的Cadence、Synopsys、Mentor等公司的EDA工具。

4 SGD軟件部署

SGD軟件部署分為兩個(gè)部分，SGD網(wǎng)關(guān)和由多臺SGD服務(wù)器組成的陣列。SGD網(wǎng)關(guān)是一種代理服務(wù)器，部署在防火墻隔離區(DMZ)。在客戶(hù)端與陣列中的SGD服務(wù)器建立連接之前，通過(guò)SGD網(wǎng)關(guān)先在DMZ中對所有連接進(jìn)行驗證。SGD服務(wù)器陣列和其他需要控制訪(fǎng)問(wèn)權限的應用系統放置SGD網(wǎng)關(guān)后側，位于內部網(wǎng)絡(luò )中。SGD服務(wù)器陣列由多臺SGD服務(wù)器組成一個(gè)負載均衡和故障轉移組，與管理服務(wù)器和tool server連接。

SGD利用遠程控制技術(shù)構建一個(gè)可兼容異構系統和工具的中間接口，是一種基于圖形模式的遠程控制技術(shù)，將遠程主機桌面和應用程序完全地顯示到客戶(hù)端，使用戶(hù)能夠直觀(guān)地對服務(wù)端進(jìn)行操作。在FPGA開(kāi)發(fā)平臺中，EDA工具集成環(huán)境中的各種應用，如linux系統的EDA工具和windows系統的各種資源等應用程序，都可以通過(guò)SGD遠程顯示，遠程用戶(hù)用IE瀏覽器或Firefox瀏覽器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)就能夠使用FPGA開(kāi)發(fā)平臺上的各種應用軟件。

5 FPGA開(kāi)發(fā)平臺應用

本文介紹的大容量FPGA設計平臺已應用于全自主千萬(wàn)門(mén)級FPGA芯片設計。30多位設計工程師使用該平臺參與全自主千萬(wàn)門(mén)級FPGA芯片設計。團隊中在異地工作的工程師使用SGD遠程登錄到FPGA設計平臺共同參與設計工作。設計團隊采用中芯國際SMIC 40 nm CMOS設計技術(shù)，用正向設計的方法，設計基于SRAM配置的面向高性能通用邏輯與信號處理的全自主千萬(wàn)門(mén)級FPGA器件。器件含有數字ASCI電路、全定制電路、數?；旌想娐芬约癿emory complier等。

6 結束語(yǔ)

本文介紹了FPGA開(kāi)發(fā)平臺中EDA工具集成的各種技術(shù)，以及部署SGD軟件實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)的方法。FPGA開(kāi)發(fā)平臺是為面向高性能通用邏輯與信號處理的自主千萬(wàn)門(mén)級FPGA課題產(chǎn)品研發(fā)建立的設計平臺。在此平臺上設計團隊不受地域限制，通過(guò)瀏覽器即可遠程使用平臺集成的各種EDA工具。在FPGA開(kāi)發(fā)平臺上，已經(jīng)完成第一個(gè)全自主千萬(wàn)門(mén)級FPGA的第一次MPW芯片設計，打通了數字ASIC設計、定制設計、數?；旌显O計全流程。