▍FPGA質(zhì)量控制與測試
 

　　隨著(zhù)數字化、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計、可重復性修訂等特性，成功取代了傳統堆疊化電子元器件設計方式，應用到裝備的設計中去。未來(lái)電子信息領(lǐng)域，硬件裝備軟件化設計趨勢已不可逆轉。可以說(shuō)，只要存在硬件，就必然有FPGA的身影。本期“專(zhuān)家訪(fǎng)談”欄目，邀請廣電計量軟件測試技術(shù)副總監齊躍，深度解析FPGA質(zhì)量控制與測試，助力企業(yè)提升FPGA測試效率和設計質(zhì)量。
 

　　▍FPGA軟件的主要應用領(lǐng)域有哪些？
 

　　FPGA，全稱(chēng)Field-Programmable Gate Array，翻譯成中文即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列。它是一種主要以數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(zhuān)用集成電路)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現，具有無(wú)限次重新編程的能力，通過(guò)對預制的門(mén)電路、觸發(fā)器和可編程布線(xiàn)資源重新配置，可以實(shí)現任意的邏輯功能，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(mén)電路數容量過(guò)小的缺點(diǎn)。
 

　　因此，FPGA的應用方向非常廣泛，按照應用領(lǐng)域來(lái)看，FPGA在高速通信、數據處理、工業(yè)控制、特殊裝備和航空航天等眾多領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛的應用。
 

　　▍為什么對FPGA軟件進(jìn)行測評？
 

　　根據有關(guān)單位某產(chǎn)品試驗鑒定工作要求中提出，“FPGA應列入軟件清單進(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(kāi)展代碼規則檢查、功能仿真、時(shí)序驗證等測試”。所以根據上述文件要求所有設備中的FPGA軟件都要進(jìn)行內部測試/第三方測評/鑒定測評。
 

　　▍FPGA軟件測試面臨哪些挑戰？
 

　　FPGA軟件包含進(jìn)行設計而產(chǎn)生的程序、文檔和數據，同時(shí)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)調性、時(shí)序性等方面的全面覆蓋。FPGA能夠穩定、可靠地工作，不但功能需滿(mǎn)足要求，時(shí)序指標、安全性指標等均需滿(mǎn)足要求。
 

　　不同的FPGA芯片廠(chǎng)商、不同的運行電壓和溫度情況下，FPGA的時(shí)序會(huì )有很大不同，經(jīng)常造成FPGA執行時(shí)出現錯誤。因此，FPGA測試需要在驗證FPGA軟件特性的同時(shí)，驗證FPGA芯片硬件特性、電壓與溫度對時(shí)序的影響等環(huán)境特性是否滿(mǎn)足要求。因此，FPGA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軟件測試的內容及流程有哪些？
 

　　FPGA開(kāi)發(fā)流程復雜，從前端設計代碼到最后生成配置位流文件，均有可能引入設計缺陷。因此，在安全關(guān)鍵領(lǐng)域，FPGA軟件的獨立測評流程涵蓋由RTL代碼生成位流文件的各關(guān)鍵節點(diǎn)，從不同層次采用多種方法對軟件功能、接口、時(shí)序、和性能進(jìn)行確認。
 

　　主要測試方法有：編碼規則檢查、跨時(shí)鐘檢查、功能仿真、門(mén)級仿真、時(shí)序仿真、功耗分析、邏輯等效性檢查等。測試過(guò)程主要包括：
 

　　1.首先根據軟件需求進(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)行編碼規則檢查及功能仿真測試，驗證FPGA前端設計的正確性。
 

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

　　4.針對布局布線(xiàn)后的布線(xiàn)網(wǎng)表進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析及時(shí)序仿真測試，驗證FPGA后端設計時(shí)序路徑是否收斂。
 

　　5.針對燒寫(xiě)下載后的目標設備開(kāi)展板級實(shí)物測試，驗證FPGA整機設備功能實(shí)現正確性。
 

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

　　▍如何提高FPGA測試的效率和準確性？
 

　　1.采用自動(dòng)化測試工具：自動(dòng)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FPGA的具體應用場(chǎng)景和規格要求，制定針對性的測試策略，以提高測試的有效性和準確性。
 

　　3.強化在板測試：在板測試可以更好地模擬實(shí)際工作情況，有助于發(fā)現潛在問(wèn)題。
 

　　4.強化可靠性評估：通過(guò)改進(jìn)加速老化試驗方法、引入更多實(shí)際工作場(chǎng)景下的應力因子等方式，提高可靠性評估的準確性。
 

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

　　▍如何提高FPGA軟件設計質(zhì)量和可靠性？
 

　　FPGA質(zhì)量提升是一個(gè)涵蓋設計、驗證、實(shí)施和測試全過(guò)程的系統工程，下面將詳細介紹幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節：
 

　　1. 設計階段的質(zhì)量保證
 

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

　　資源優(yōu)化：根據具體應用需求合理分配邏輯資源、內存資源以及布線(xiàn)資源，通過(guò)算法優(yōu)化和架構選擇來(lái)降低功耗并提升性能。
 

　　RTL設計規范：遵循行業(yè)標準和最佳實(shí)踐編寫(xiě)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(shí)序問(wèn)題。
 

　　2. 驗證流程強化
 

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

　　形式驗證：利用形式化方法驗證設計正確性，包括等價(jià)檢查、屬性檢查及模型檢查，以減少因傳統仿真遺漏而引入的問(wèn)題。
 

　　靜態(tài)時(shí)序分析(STA)：在布局布線(xiàn)后執行嚴格的STA，確保設計達到準確的時(shí)序約束，防止由于時(shí)鐘偏斜、延時(shí)不匹配導致的功能失效。
 

　　3. 增強可靠性設計
 

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

　　內建自測試(BIST)：集成自測試電路，能夠在運行過(guò)程中檢測硬件故障，增強產(chǎn)品的現場(chǎng)可靠性。
 

　　軟錯誤防護：針對輻射效應和其他非長(cháng)久性故障，采用適當的軟錯誤率(SER)防護策略。
 

　　4. 硬件實(shí)現與簽核
 

　　綜合與優(yōu)化：選擇高性能的綜合工具，并對其進(jìn)行參數調整以獲得較優(yōu)布局布線(xiàn)結果，同時(shí)考慮資源利用率、速度和功率。
 

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

　　綜上所述，提升FPGA設計質(zhì)量涉及諸多方面，需要在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期中結合先進(jìn)的設計理念、嚴謹的驗證手段和科學(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？
 

　　廣電計量FPGA測試團隊具有全面的裝備軟件測試資質(zhì)，目前承接的項目包括商飛C919、載人航天、特殊裝備等領(lǐng)域數十項FPGA軟件測試項目，任務(wù)涵蓋了第三方驗收測試、內部測試、鑒定測試/定型測試，測試級別覆蓋單元測試、配置項測試和系統測試。