與同類(lèi)FPGA相比，Agilex 7 FPGA可為OpenCores公開(kāi)發(fā)布的設(shè)計(jì)提供超過(guò)一個(gè)速度等級(jí)的內(nèi)核性能提升。

簡(jiǎn) 介

本文介紹了一種對(duì)Agilex 7 FPGA產(chǎn)品家族的內(nèi)核性能進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試的方法，旨在清晰地展示相關(guān)方法和數(shù)據(jù)，以便感興趣的讀者可以重新生成和分析這些結(jié)果。

背景：FPGA和SoC的基準(zhǔn)測(cè)試

當(dāng)前，可編程邏輯行業(yè)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)評(píng)測(cè)方法。為此，使用了嚴(yán)格的內(nèi)部分析，并廣泛地采用了不同的設(shè)計(jì)組合，以充分了解、量化可編程邏輯產(chǎn)品相比前代產(chǎn)品/行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品的性能。這些設(shè)計(jì)從不同的細(xì)分市場(chǎng)收集而來(lái)，包括高性能計(jì)算、圖像和視頻處理、有線和無(wú)線通信以及消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品等。此外，這些設(shè)計(jì)還使用了多種實(shí)施技術(shù)，包括來(lái)自行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品的ASIC和FPGA。通過(guò)使用廣泛的設(shè)計(jì)套件，致力于確保結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤，且能夠代表客戶設(shè)計(jì)與Quartus Prime Software Suite等FPGA設(shè)計(jì)工具之間的復(fù)雜交互。為了使用客戶設(shè)計(jì)，已在轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方面投資了大量資源，以便能夠與廣泛的合成工具和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)廠商合作。同時(shí)還確保功能予以保留，并針對(duì)特定FPGA廠商進(jìn)行了適當(dāng)?shù)拇a優(yōu)化，這點(diǎn)是必需的，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)針對(duì)特定FPGA對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

在性能比較方面，采用的是盡力而為法，目的是顯示可實(shí)現(xiàn)的最佳結(jié)果。盡力而為編譯方法實(shí)驗(yàn)需要比默認(rèn)按鈕(push-button)編譯更長(zhǎng)的單獨(dú)編譯時(shí)間，而且，在該方法中，每項(xiàng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行超過(guò)一次的編譯。

借助這種方法，確定了Agilex 7 FPGA和SoC可提供比7納米FPGA行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品更高的內(nèi)核性能，測(cè)量指標(biāo)為在設(shè)計(jì)套件的每項(xiàng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)速度關(guān)鍵型時(shí)鐘路徑所能實(shí)現(xiàn)的最大fMAX。

性能差異在13%-25%左右（具體數(shù)據(jù)取決于不同的設(shè)計(jì)），大約相當(dāng)于一個(gè)或兩個(gè)速度等級(jí)優(yōu)勢(shì)，一個(gè)速度等級(jí)通常被定義為10%-15%?的性能差異。這些結(jié)果有力證明了Agilex 7 FPGA作為最高性能10納米FPGA產(chǎn)品家族的地位。然而，由于這些結(jié)果是專(zhuān)有設(shè)計(jì)獲得的，所以只能就這項(xiàng)分析分享有限的詳情，這最終會(huì)限制這些信息對(duì)可編程邏輯用戶的有用性。

通過(guò)基于OpenCores的性能比較提高透明度

為了克服在理解可編程邏輯性能方面的挑戰(zhàn)，使用已發(fā)布的OpenCores(www.opencores.org)設(shè)計(jì)進(jìn)行指標(biāo)評(píng)測(cè)。OpenCores提供了開(kāi)源硬件知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核。這項(xiàng)指標(biāo)評(píng)測(cè)旨在幫助可編程邏輯用戶：

了解性能評(píng)估過(guò)程中使用的具體設(shè)計(jì)，包括這些設(shè)計(jì)具體到寄存器傳輸級(jí)(RTL)描述的詳細(xì)信息

自己重新生成分析結(jié)果

仔細(xì)查看分析結(jié)果，以更好地了解Agilex 7 FPGA性能和器件利用率，以及這些性能優(yōu)勢(shì)對(duì)于特定設(shè)計(jì)的意義

這項(xiàng)基于OpenCores的分析的范圍小于使用的內(nèi)部分析，因?yàn)榍罢邔?zhuān)注于受時(shí)間約束的比較。分析并不全面，但分析結(jié)果說(shuō)明了實(shí)施相似設(shè)計(jì)，或?qū)嵤┡c設(shè)計(jì)示例套件所用功能相似的功能設(shè)計(jì)時(shí)，Agilex 7 FPGA相比行業(yè)同類(lèi)器件的相對(duì)性能。

OpenCores標(biāo)記方法

OpenCores設(shè)計(jì)只使用了目標(biāo)設(shè)備中的一小部分資源，只使用這一小部分資源并非用戶的慣例，也達(dá)不到他們所期望的目標(biāo)。此外，隨著設(shè)備資源逐漸被耗盡，以及設(shè)計(jì)變得更難以放置和路由，不斷增加的利用率通常會(huì)對(duì)可實(shí)現(xiàn)的最高fMAX產(chǎn)生不利影響。為了模擬設(shè)備利用率對(duì)可編程邏輯性能的影響，OpenCores設(shè)計(jì)執(zhí)行了大量編譯，而且每次都會(huì)在前一次編譯的基礎(chǔ)上添加更多OpenCores實(shí)例。為了增加可編程邏輯設(shè)備的設(shè)計(jì)尺寸，每項(xiàng)OpenCores設(shè)計(jì)都在FPGA中重復(fù)進(jìn)行了實(shí)例化（對(duì)同一內(nèi)核進(jìn)行多次標(biāo)記）：

每次標(biāo)記都并行實(shí)施

添加I/O包裝程序邏輯以減少更大設(shè)計(jì)所需的I/O引腳數(shù)

內(nèi)核與包裝程序邏輯之間不存在時(shí)間關(guān)鍵路徑

包裝程序邏輯提供了盡可能少的開(kāi)銷(xiāo)。圖1顯示了標(biāo)記過(guò)程

圖1. 在FPGA中對(duì)oc_m1_core設(shè)計(jì)進(jìn)行了四次實(shí)例化

OpenCores標(biāo)記和基準(zhǔn)測(cè)試方法

隨著OpenCores設(shè)計(jì)標(biāo)記數(shù)量增加（因此設(shè)計(jì)尺寸不斷增加），I/O引腳和全局時(shí)鐘等資源變得有限。為了避免引腳用盡，每個(gè)OpenCores設(shè)計(jì)都包裹在移位寄存器中，以便一個(gè)物理引腳能夠?yàn)閮?nèi)核的所有輸入引腳提供信息，以及內(nèi)核的所有輸出引腳都將信息輸入到可加載的移位寄存器中。圖2和圖3分別顯示了輸入和輸出移位寄存器。移位寄存器尺寸取決于I/O引腳數(shù)量，移位寄存器的數(shù)量取決于FPGA中實(shí)施的OpenCores設(shè)計(jì)數(shù)量。

圖2. 輸入移位寄存器實(shí)施

圖3. 輸出移位寄存器實(shí)施

為了避免全局時(shí)鐘資源耗盡，一個(gè)引腳直接為所有OpenCores設(shè)計(jì)提供全局時(shí)鐘和重置信號(hào)。例如，如果一個(gè)內(nèi)核需要兩個(gè)時(shí)鐘（即內(nèi)核時(shí)鐘1與內(nèi)核時(shí)鐘2）以及一個(gè)重置信號(hào)，內(nèi)核時(shí)鐘1的所有實(shí)例由一個(gè)引腳提供，內(nèi)核時(shí)鐘2的所有實(shí)例由另一個(gè)不同的引腳提供，重置信號(hào)的所有實(shí)例由第三個(gè)引腳提供。借助該方法，所有OpenCores設(shè)計(jì)都擁有相同的時(shí)鐘和重置信號(hào)（請(qǐng)參見(jiàn)圖4）。

圖4. 共享時(shí)鐘和重置信號(hào)的雙核實(shí)施

在FPGA中，包裝程序邏輯將所有OpenCores設(shè)計(jì)相連接后，為確保包裝程序邏輯（即移位寄存器）和OpenCores設(shè)計(jì)之間不存在關(guān)鍵路徑。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，創(chuàng)建了錯(cuò)誤的路徑，同時(shí)通過(guò)為內(nèi)核時(shí)鐘和包裝程序邏輯時(shí)鐘設(shè)置不同的無(wú)關(guān)時(shí)鐘域，消除了時(shí)間路徑。然后，這些設(shè)計(jì)工具可將內(nèi)核和移位寄存器分開(kāi)優(yōu)化。在設(shè)備和設(shè)計(jì)工具允許的情況下，對(duì)OpenCores設(shè)計(jì)進(jìn)行了盡可能多的實(shí)例化，且無(wú)編譯錯(cuò)誤。

軟件工具、設(shè)置與約束

為了開(kāi)展這項(xiàng)研究，使用了分析時(shí)可用的所需FPGA開(kāi)發(fā)工具的最新版本：

Quartus Prime Software Suite版本22.4

把工具安裝并運(yùn)行于Linux64設(shè)備之上。這些可編程邏輯工具提供的設(shè)置在設(shè)計(jì)性能、邏輯資源使用、編譯時(shí)間和內(nèi)存使用之間進(jìn)行了折中。需要注意的是，某些設(shè)計(jì)可能使用特定設(shè)置生成最佳結(jié)果，但這并不意味著該設(shè)置適用于另一項(xiàng)設(shè)計(jì)。此外，用于指引EDA工具的用戶約束可改善結(jié)果。即便使用代表客戶設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)集，指標(biāo)評(píng)測(cè)結(jié)果也會(huì)因軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用約束的不同而存在顯著差異。對(duì)于本文介紹的比較，使用了盡力而為的編譯模式，并設(shè)置了較為嚴(yán)格的時(shí)間約束。為了確定每項(xiàng)設(shè)計(jì)的嚴(yán)格時(shí)間約束，對(duì)每個(gè)OpenCores設(shè)計(jì)時(shí)鐘應(yīng)用了頻率約束，以確定每個(gè)時(shí)鐘剛好無(wú)法滿足的約束。通過(guò)不斷增加約束直至無(wú)法滿足，確定了基礎(chǔ)約束。然后，通過(guò)將基礎(chǔ)約束值乘以最少1.3的系數(shù)，確定了嚴(yán)格約束。下面部分介紹了為每項(xiàng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的約束。

結(jié) 語(yǔ)

Agilex 7 FPGA家族實(shí)現(xiàn)了更高的fMAX值，范圍在3%到41%之間，幾何平均值為20%。性能優(yōu)勢(shì)相當(dāng)于一到兩個(gè)速度等級(jí)。此外，結(jié)果表明，在利用率較高的情況下，Agilex 7 FPGA性能穩(wěn)定性更好，在這種情況下，Hyperflex 架構(gòu)能提供更高的性能，讓您可以更充分地利用可用邏輯。