原创 专家访谈 | FPGA到底是啥？如何做好FPGA质量控制与测试？

        随着数字化、智能化装备的爆发式发展，具备更高可靠性、更高集成性的FPGA产品，依靠自身的自定义编程设计、可重复性修订等特性，成功取代了传统堆叠化电子元器件设计方式，应用到装备的设计中去。未来电子信息领域，硬件装备软件化设计趋势已不可逆转。可以说，只要存在硬件，就必然有FPGA的身影。本期“专家访谈”栏目，邀请广电计量软件测试技术副总监齐跃，深度解析FPGA质量控制与测试，助力企业提升FPGA测试效率和设计质量。

齐跃

广电计量软件测试技术副总监

        软件/FPGA测评从业经历13年，两项国家发明专利授权发明人，一项软件著作权著作人。主要从事航空航天、特殊装备等领域软件及FPGA第三方及鉴定测评，覆盖导航定位、雷达、图像处理、遥控遥测等专业，具有丰富的FPGA软件测评工作经验。

        FPGA，全称Field-Programmable Gate Array，翻译成中文即现场可编程门阵列。它是一种主要以数字电路为主的集成芯片，属于可编程器件中的一种。FPGA作为ASIC（专用集成电路）领域中的一种半定制电路而出现，具有无限次重新编程的能力，通过对预制的门电路、触发器和可编程布线资源重新配置，可以实现任意的逻辑功能，大大提高了集成电路的灵活性，既解决了定制电路缺乏灵活性的不足，又克服了原有可编程器件门电路数容量过小的缺点。

        因此，FPGA的应用方向非常广泛，按照应用领域来看，FPGA在高速通信、数据处理、工业控制、特殊装备和航空航天等众多领域都已经得到了广泛的应用。

        根据有关单位某产品试验鉴定工作要求中提出，“FPGA应列入软件清单进行管理，列入软件测试要求考核范围，关键或重要FPGA要针对性开展代码规则检查、功能仿真、时序验证等测试”。所以根据上述文件要求所有设备中的FPGA软件都要进行内部测试/第三方测评/鉴定测评。

FPGA软件测试面临哪些挑战？

        FPGA软件包含进行设计而产生的程序、文档和数据，同时包含与之相关的软件特性和硬件特性。FPGA软件测试需要考虑软件代码正确性、软硬件接口协调性、时序性等方面的全面覆盖。FPGA能够稳定、可靠地工作，不但功能需满足要求，时序指标、安全性指标等均需满足要求。

        不同的FPGA芯片厂商、不同的运行电压和温度情况下，FPGA的时序会有很大不同，经常造成FPGA执行时出现错误。因此，FPGA测试需要在验证FPGA软件特性的同时，验证FPGA芯片硬件特性、电压与温度对时序的影响等环境特性是否满足要求。因此，FPGA软件测试包含对FPGA软件特性、硬件特性及环境特性全方位的测试。

        FPGA开发流程复杂，从前端设计代码到最后生成配置位流文件，均有可能引入设计缺陷。因此，在安全关键领域，FPGA软件的独立测评流程涵盖由RTL代码生成位流文件的各关键节点，从不同层次采用多种方法对软件功能、接口、时序、和性能进行确认。

        主要测试方法有：编码规则检查、跨时钟检查、功能仿真、门级仿真、时序仿真、功耗分析、逻辑等效性检查等。测试过程主要包括：

        1.首先根据软件需求进行测试需求分析，确保测试100%覆盖软件需求。

        2.针对RTL级代码进行编码规则检查及功能仿真测试，验证FPGA前端设计的正确性。

        3.针对逻辑综合后的门级网表文件进行逻辑等效性测试，验证逻辑综合的可靠性、一致性。

        4.针对布局布线后的布线网表进行静态时序分析及时序仿真测试，验证FPGA后端设计时序路径是否收敛。

        5.针对烧写下载后的目标设备开展板级实物测试，验证FPGA整机设备功能实现正确性。

        6.使用专业工具对FPGA前端硬件描述设计与后端时序电路逻辑一致性进行检查。

        1.采用自动化测试工具：自动化测试工具可以大幅提高测试效率，减少人为误差。

        2.优化测试策略：根据FPGA的具体应用场景和规格要求，制定针对性的测试策略，以提高测试的有效性和准确性。

        3.强化在板测试：在板测试可以更好地模拟实际工作情况，有助于发现潜在问题。

        4.强化可靠性评估：通过改进加速老化试验方法、引入更多实际工作场景下的应力因子等方式，提高可靠性评估的准确性。

        5.强化仿真测试：采用更精确的仿真模型和更全面的场景覆盖，提高仿真测试的有效性。

        FPGA质量提升是一个涵盖设计、验证、实施和测试全过程的系统工程，下面将详细介绍几个关键环节：

        1. 设计阶段的质量保证

        模块化设计：采用模块化的设计方法有助于提高代码可读性与重用性，并简化后期维护。每个模块应有明确的功能定义，遵循良好的设计原则。

        资源优化：根据具体应用需求合理分配逻辑资源、内存资源以及布线资源，通过算法优化和架构选择来降低功耗并提升性能。

        RTL设计规范：遵循行业标准和最佳实践编写HDL代码，确保代码风格一致且易于综合工具理解，避免潜在的时序问题。

        2. 验证流程强化

        功能仿真：在早期阶段进行详尽的功能仿真验证，确保设计满足规格要求，并覆盖所有可能的状态和边界条件。

        形式验证：利用形式化方法验证设计正确性，包括等价检查、属性检查及模型检查，以减少因传统仿真遗漏而引入的问题。

        静态时序分析（STA）：在布局布线后执行严格的STA，确保设计达到指定的时序约束，防止由于时钟偏斜、延时不匹配导致的功能失效。

        3. 增强可靠性设计

        冗余技术：使用三模冗余（TMR）、纠错码（ECC）或其他容错机制，提高系统的抗错误能力。

        内建自测试（BIST）：集成自测试电路，能够在运行过程中检测硬件故障，增强产品的现场可靠性。

        软错误防护：针对辐射效应和其他非永久性故障，采用适当的软错误率（SER）防护策略。

        4. 硬件实现与签核

        综合与优化：选择高性能的综合工具，并对其进行参数调整以获得最优布局布线结果，同时考虑资源利用率、速度和功率。

        物理设计签核：对完成布局布线后的设计进行全面的物理设计签核，包括DRC（设计规则检查）、LVS（Layout Versus Schematic），确保设计符合工艺要求。

        综上所述，提升FPGA设计质量涉及诸多方面，需要在整个开发周期中结合先进的设计理念、严谨的验证手段和科学的测试方法，才能最终打造出高可靠性的FPGA产品。

        广电计量FPGA测试团队具有全面的装备软件测试资质，目前承接的项目包括商飞C919、载人航天、特殊装备等领域数十项FPGA软件测试项目，任务涵盖了第三方验收测试、内部测试、鉴定测试/定型测试，测试级别覆盖单元测试、配置项测试和系统测试。