FPGA質量控制與測試

隨著數字化、智能化裝備的爆發式發展，具備更高可靠性、更高集成性的FPGA產品，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。未來電子信息領域，硬件裝備軟件化設計趨勢已不可逆轉。可以說，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副總監齊躍，深度解析FPGA質量控制與測試，助力企業提升FPGA測試效率和設計質量

FPGA軟件的主要應用領域有哪些？

FPGA，全稱Field-Programmable Gate Array，翻譯成中文即現場可編程門陣列。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（專用集成電路）領域中的一種半定制電路而出現，具有無限次重新編程的能力，通過對預制的門電路、觸發器和可編程布線資源重新配置，可以實現任意的邏輯功能，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電路數容量過小的缺點。

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

為什么對FPGA軟件進行測評？

根據有關單位某產品試驗鑒定工作要求中提出，“FPGA應列入軟件清單進行管理，列入軟件測試要求考核范圍，關鍵或重要FPGA要針對性開展代碼規則檢查、功能仿真、時序驗證等測試”。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軟件包含進行設計而產生的程序、文檔和數據，同時包含與之相關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、軟硬件接口協調性、時序性等方面的全面覆蓋。FPGA能夠穩定、可靠地工作，不但功能需滿足要求，時序指標、安全性指標等均需滿足要求。

不同的FPGA芯片廠商、不同的運行電壓和溫度情況下，FPGA的時序會有很大不同，經常造成FPGA執行時出現錯誤。因此，FPGA測試需要在驗證FPGA軟件特性的同時，驗證FPGA芯片硬件特性、電壓與溫度對時序的影響等環境特性是否滿足要求。因此，FPGA軟件測試包含對FPGA軟件特性、硬件特性及環境特性全方位的測試。

FPGA軟件測試的內容及流程有哪些？

FPGA開發流程復雜，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，在安全關鍵領域，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鍵節點，從不同層次采用多種方法對軟件功能、接口、時序、和性能進行確認。

主要測試方法有：編碼規則檢查、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.首先根據軟件需求進行測試需求分析，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級網表文件進行邏輯等效性測試，驗證邏輯綜合的可靠性、一致性。

4.針對布局布線后的布線網表進行靜態時序分析及時序仿真測試，驗證FPGA后端設計時序路徑是否收斂。

5.針對燒寫下載后的目標設備開展板級實物測試，驗證FPGA整機設備功能實現正確性。

6.使用專業工具對FPGA前端硬件描述設計與后端時序電路邏輯一致性進行檢查。

如何提高FPGA測試的效率和準確性？

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.優化測試策略：根據FPGA的具體應用場景和規格要求，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際工作情況，有助于發現潛在問題。

4.強化可靠性評估：通過改進加速老化試驗方法、引入更多實際工作場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景覆蓋，提高仿真測試的有效性。

如何提高FPGA軟件設計質量和可靠性？

FPGA質量提升是一個涵蓋設計、驗證、實施和測試全過程的系統工程，下面將詳細介紹幾個關鍵環節：

1. 設計階段的質量保證

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，并簡化后期維護。每個模塊應有明確的功能定義，遵循良好的設計原則。

資源優化：根據具體應用需求合理分配邏輯資源、內存資源以及布線資源，通過算法優化和架構選擇來降低功耗并提升性能。

RTL設計規范：遵循行業標準和最佳實踐編寫HDL代碼，確保代碼風格一致且易于綜合工具理解，避免潛在的時序問題。

2. 驗證流程強化

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

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題。

靜態時序分析（STA）：在布局布線后執行嚴格的STA，確保設計達到指定的時序約束，防止由于時鐘偏斜、延時不匹配導致的功能失效。

3. 增強可靠性設計

冗余技術：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，能夠在運行過程中檢測硬件故障，增強產品的現場可靠性。

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

4. 硬件實現與簽核

綜合與優化：選擇高性能的綜合工具，并對其進行參數調整以獲得最優布局布線結果，同時考慮資源利用率、速度和功率。

物理設計簽核：對完成布局布線后的設計進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設計質量涉及諸多方面，需要在整個開發周期中結合先進的設計理念、嚴謹的驗證手段和科學的測試方法，才能最終打造出高可靠性的FPGA產品。

審核編輯：黃飛

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