▍FPGA質(zhì)量控制與測試
 

　　隨著數(shù)字化、智能化裝備的爆發(fā)式發(fā)展，具備更高可靠性、更高集成性的FPGA產(chǎn)品，依靠自身的自定義編程設(shè)計、可重復(fù)性修訂等特性，成功取代了傳統(tǒng)堆疊化電子元器件設(shè)計方式，應(yīng)用到裝備的設(shè)計中去。未來電子信息領(lǐng)域，硬件裝備軟件化設(shè)計趨勢已不可逆轉(zhuǎn)?？梢哉f，只要存在硬件，就必然有FPGA的身影。本期“專家訪談”欄目，邀請廣電計量軟件測試技術(shù)副總監(jiān)齊躍，深度解析FPGA質(zhì)量控制與測試，助力企業(yè)提升FPGA測試效率和設(shè)計質(zhì)量。
 

　　▍FPGA軟件的主要應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？
 

　　FPGA，全稱Field-Programmable Gate Array，翻譯成中文即現(xiàn)場可編程門陣列。它是一種主要以數(shù)字電路為主的集成芯片，屬于可編程器件中的一種。FPGA作為ASIC(專用集成電路)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)，具有無限次重新編程的能力，通過對預(yù)制的門電路、觸發(fā)器和可編程布線資源重新配置，可以實(shí)現(xiàn)任意的邏輯功能，大大提高了集成電路的靈活性，既解決了定制電路缺乏靈活性的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)容量過小的缺點(diǎn)。
 

　　因此，F(xiàn)PGA的應(yīng)用方向非常廣泛，按照應(yīng)用領(lǐng)域來看，F(xiàn)PGA在高速通信、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、特殊裝備和航空航天等眾多領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
 

　　▍為什么對FPGA軟件進(jìn)行測評？
 

　　根據(jù)有關(guān)單位某產(chǎn)品試驗(yàn)鑒定工作要求中提出，“FPGA應(yīng)列入軟件清單進(jìn)行管理，列入軟件測試要求考核范圍，關(guān)鍵或重要FPGA要針對性開展代碼規(guī)則檢查、功能仿真、時序驗(yàn)證等測試”。所以根據(jù)上述文件要求所有設(shè)備中的FPGA軟件都要進(jìn)行內(nèi)部測試/第三方測評/鑒定測評。
 

　　▍FPGA軟件測試面臨哪些挑戰(zhàn)？
 

　　FPGA軟件包含進(jìn)行設(shè)計而產(chǎn)生的程序、文檔和數(shù)據(jù)，同時包含與之相關(guān)的軟件特性和硬件特性。FPGA軟件測試需要考慮軟件代碼正確性、軟硬件接口協(xié)調(diào)性、時序性等方面的全面覆蓋。FPGA能夠穩(wěn)定、可靠地工作，不但功能需滿足要求，時序指標(biāo)、安全性指標(biāo)等均需滿足要求。
 

　　不同的FPGA芯片廠商、不同的運(yùn)行電壓和溫度情況下，F(xiàn)PGA的時序會有很大不同，經(jīng)常造成FPGA執(zhí)行時出現(xiàn)錯誤。因此，F(xiàn)PGA測試需要在驗(yàn)證FPGA軟件特性的同時，驗(yàn)證FPGA芯片硬件特性、電壓與溫度對時序的影響等環(huán)境特性是否滿足要求。因此，F(xiàn)PGA軟件測試包含對FPGA軟件特性、硬件特性及環(huán)境特性測試。
 

　　▍FPGA軟件測試的內(nèi)容及流程有哪些？
 

　　FPGA開發(fā)流程復(fù)雜，從前端設(shè)計代碼到最后生成配置位流文件，均有可能引入設(shè)計缺陷。因此，在安全關(guān)鍵領(lǐng)域，F(xiàn)PGA軟件的獨(dú)立測評流程涵蓋由RTL代碼生成位流文件的各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從不同層次采用多種方法對軟件功能、接口、時序、和性能進(jìn)行確認(rèn)。
 

　　主要測試方法有：編碼規(guī)則檢查、跨時鐘檢查、功能仿真、門級仿真、時序仿真、功耗分析、邏輯等效性檢查等。測試過程主要包括：
 

　　1.首先根據(jù)軟件需求進(jìn)行測試需求分析，確保測試100%覆蓋軟件需求。
 

　　2.針對RTL級代碼進(jìn)行編碼規(guī)則檢查及功能仿真測試，驗(yàn)證FPGA前端設(shè)計的正確性。
 

　　3.針對邏輯綜合后的門級網(wǎng)表文件進(jìn)行邏輯等效性測試，驗(yàn)證邏輯綜合的可靠性、一致性。
 

　　4.針對布局布線后的布線網(wǎng)表進(jìn)行靜態(tài)時序分析及時序仿真測試，驗(yàn)證FPGA后端設(shè)計時序路徑是否收斂。
 

　　5.針對燒寫下載后的目標(biāo)設(shè)備開展板級實(shí)物測試，驗(yàn)證FPGA整機(jī)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)正確性。
 

　　6.使用專業(yè)工具對FPGA前端硬件描述設(shè)計與后端時序電路邏輯一致性進(jìn)行檢查。
 

　　▍如何提高FPGA測試的效率和準(zhǔn)確性？
 

　　1.采用自動化測試工具：自動化測試工具可以大幅提高測試效率，減少人為誤差。
 

　　2.優(yōu)化測試策略：根據(jù)FPGA的具體應(yīng)用場景和規(guī)格要求，制定針對性的測試策略，以提高測試的有效性和準(zhǔn)確性。
 

　　3.強(qiáng)化在板測試：在板測試可以更好地模擬實(shí)際工作情況，有助于發(fā)現(xiàn)潛在問題。
 

　　4.強(qiáng)化可靠性評估：通過改進(jìn)加速老化試驗(yàn)方法、引入更多實(shí)際工作場景下的應(yīng)力因子等方式，提高可靠性評估的準(zhǔn)確性。
 

　　5.強(qiáng)化仿真測試：采用更精確的仿真模型和更全面的場景覆蓋，提高仿真測試的有效性。
 

　　▍如何提高FPGA軟件設(shè)計質(zhì)量和可靠性？
 

　　FPGA質(zhì)量提升是一個涵蓋設(shè)計、驗(yàn)證、實(shí)施和測試全過程的系統(tǒng)工程，下面將詳細(xì)介紹幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
 

　　1. 設(shè)計階段的質(zhì)量保證
 

　　模塊化設(shè)計：采用模塊化的設(shè)計方法有助于提高代碼可讀性與重用性，并簡化后期維護(hù)。每個模塊應(yīng)有明確的功能定義，遵循良好的設(shè)計原則。
 

　　資源優(yōu)化：根據(jù)具體應(yīng)用需求合理分配邏輯資源、內(nèi)存資源以及布線資源，通過算法優(yōu)化和架構(gòu)選擇來降低功耗并提升性能。
 

　　RTL設(shè)計規(guī)范：遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐編寫HDL代碼，確保代碼風(fēng)格一致且易于綜合工具理解，避免潛在的時序問題。
 

　　2. 驗(yàn)證流程強(qiáng)化
 

　　功能仿真：在早期階段進(jìn)行詳盡的功能仿真驗(yàn)證，確保設(shè)計滿足規(guī)格要求，并覆蓋所有可能的狀態(tài)和邊界條件。
 

　　形式驗(yàn)證：利用形式化方法驗(yàn)證設(shè)計正確性，包括等價檢查、屬性檢查及模型檢查，以減少因傳統(tǒng)仿真遺漏而引入的問題。
 

　　靜態(tài)時序分析(STA)：在布局布線后執(zhí)行嚴(yán)格的STA，確保設(shè)計達(dá)到準(zhǔn)確的時序約束，防止由于時鐘偏斜、延時不匹配導(dǎo)致的功能失效。
 

　　3. 增強(qiáng)可靠性設(shè)計
 

　　冗余技術(shù)：使用三模冗余(TMR)、糾錯碼(ECC)或其他容錯機(jī)制，提高系統(tǒng)的抗錯誤能力。
 

　　內(nèi)建自測試(BIST)：集成自測試電路，能夠在運(yùn)行過程中檢測硬件故障，增強(qiáng)產(chǎn)品的現(xiàn)場可靠性。
 

　　軟錯誤防護(hù)：針對輻射效應(yīng)和其他非長久性故障，采用適當(dāng)?shù)能涘e誤率(SER)防護(hù)策略。
 

　　4. 硬件實(shí)現(xiàn)與簽核
 

　　綜合與優(yōu)化：選擇高性能的綜合工具，并對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整以獲得較優(yōu)布局布線結(jié)果，同時考慮資源利用率、速度和功率。
 

　　物理設(shè)計簽核：對完成布局布線后的設(shè)計進(jìn)行全面的物理設(shè)計簽核，包括DRC(設(shè)計規(guī)則檢查)、LVS(Layout Versus Schematic)，確保設(shè)計符合工藝要求。
 

　　綜上所述，提升FPGA設(shè)計質(zhì)量涉及諸多方面，需要在整個開發(fā)周期中結(jié)合先進(jìn)的設(shè)計理念、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證手段和科學(xué)的測試方法，才能最終打造出高可靠性的FPGA產(chǎn)品。
 

　　▍廣電計量具備哪些FPGA測試服務(wù)經(jīng)驗(yàn)？
 

　　廣電計量FPGA測試團(tuán)隊具有全面的裝備軟件測試資質(zhì)，目前承接的項(xiàng)目包括商飛C919、載人航天、特殊裝備等領(lǐng)域數(shù)十項(xiàng)FPGA軟件測試項(xiàng)目，任務(wù)涵蓋了第三方驗(yàn)收測試、內(nèi)部測試、鑒定測試/定型測試，測試級別覆蓋單元測試、配置項(xiàng)測試和系統(tǒng)測試。