FPGA的布局布線軟件向來跑得很慢。事實上，F(xiàn)PGA供應商已經(jīng)花了很大的精力使其設計軟件在多核處理器上運行得更快。

最近，在ACM的FPGA 2022會議上發(fā)表了一篇題為“RapidStream: FPGA HLS設計的并行物理實現(xiàn)”的論文，論文中描述了一種非常有趣的方法，通過FPGA設計軟件推動HLS設計更快地運行在多核處理器上。

這篇論文由UCLA、AMD-Xilinx、根特大學和康奈爾大學的研究團隊撰寫，描述了RapidStream自動分區(qū)算法，將數(shù)據(jù)流設計分割成多個“island”，在劃分的island之間插入“anchor regions”，然后通過anchor regions中的寄存器將每個island的信號連起來整合到整個設計中。

所有這些劃分和拼接背后的目的是將HLS設計分割成小塊，交付給現(xiàn)代服務器中的多個核心。這種策略已經(jīng)有悠久的歷史，現(xiàn)在被用于加速FPGA的開發(fā)。

這個過程有三個主要的HLS級約束:

1、非重疊分區(qū)——并行化不同island的物理實現(xiàn)；

2、流水線化的island間連接——每個island間連接都流水線化，以滿足時序要求；

3、直接連接——每個island只能與相鄰的island直接連接。當并行化設計布局布線時，這個約束是至關重要的。

(注意:這些約束與用于控制邏輯綜合的各種約束完全不同，它處于一個更高的層次。)

RapidStream的開發(fā)者將數(shù)據(jù)流設計定義為一組并行處理元素(processing element，簡稱PE)和一組根據(jù)設計的數(shù)據(jù)流需求將PE連接起來的FIFO。PE內部可以很復雜，但只能通過FIFO接口與其他PE進行數(shù)據(jù)通信。

如上所述，RapidStream將FPGA fabric劃分為兩種region：大小相同的region和在相鄰region之間以窄列和行放置的anchor region。有趣的是，RapidStream似乎是專門為AMD-Xilinx Virtex UltraScale+ FPGA構建的，這是由FPGAchiplet（AMD-Xilinx語言中的超級邏輯區(qū)域，簡稱SLR）制成的2.5D器件。

這篇論文包含了幾個描述RapidStream工作性能的圖表。下圖顯示了在分區(qū)后，六種不同的數(shù)據(jù)流設計與沒有分區(qū)的流水線/非流水線版本時鐘速率的比較。

從上圖可以看出，RapidStream比所有非流水線版本的時鐘速率更高。這是意料之中的，因為流水線是FPGA時鐘速度改進的核心。然而，六種情況中，有五種情況RapidStream的結果比相同設計的流水線RTL版本要好，這個結果要引起我們的注意。

下面是布局布線的時間結果對比:

RapidStream的布局布線運行時間比未分區(qū)設計的結果要好得多。這是因為RapidStream可以將每個分區(qū)送給不同的處理器核心來布局布線。

雖然FPGA供應商試圖讓布局布線算法在多核處理器上工作得更快，但RapidStream的開發(fā)人員根據(jù)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，如果FPGA設計沒有分區(qū)，在超過兩個處理器核心上運行AMD-Xilinx Vivado設計工具時并沒有太大改善。

如果有讀者正在用FPGA開發(fā)HLS設計——特別是AMD-Xilinx FPGA，那么應該會對RapidStream感興趣。更細節(jié)的內容可以在GitHub上找到。

原文標題：HLS分區(qū)加速FPGA布局布線！

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審核編輯：湯梓紅