揭秘FPGA设计难题：芯片出身也能影响性能表现

作者：隐达

（一）昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路

2000年的时候，做设计基本都是使用Xilinx公司的Virtex和Virtex-E系列芯片。那时候Altera技术实力还比较弱，基于Altera的芯片做设计是要被大家diss的。某天晚上大概十点多了吧，我正如痴如醉的沉浸在编码的快感当中。主管悄无声息的站到了我身后，我从显示器中看到了隐约的影子，转头一看果然是他老人家。

主管神色凝重，眉头紧蹙。我在脑子里迅速回顾了一下自己最近的所作所为，确信没干什么罪大恶极、自绝于人民的坏事儿，用颤抖的语气小心翼翼的问：老大，您找我？老大的神色迅速地转换，分明在说：蠢货，你又不是什么萌妹子，要是没事儿你以为我老人家愿意屈尊站到你这儿么？after一个蓝衣女子般的风情万种的白眼之后，老大终于开腔了。

“我们学理科的都不信鬼神对吧？”大哥，你这是什么开场白？！我那会儿不过才工作两年多，纯洁的像一张黑不溜秋的白纸，根本识别不了您这是准备给我刨什么坑好吧，为啥你要给我出这样的难题？老大露出了一些不耐烦：“几个月之前到现在，有一批单板邪门儿了，有的工作正常，有的就不断的出乱码。经过大家夜以继日没白没黑呕心沥血玩儿命的加班定位之后，大家一致认为问题出在这块单板上的FPGA上”。早说嘛，FPGA我熟啊。“老大，问题既然都定位了，那就解决嘛”。老大露出了诧异的神情：我X，你这货是怎么混进我司的？回头老子要找当初面试你的人算账！老大深吸了一口气，带着“老子再忍你十秒钟的神情”继续说：“这个FPGA一共9000多接近一万行代码，最关键的是，设计这个FPGA的同事三周前就离职了。现在虽然确定了问题出在这个FPGA，但是究竟是什么问题还不知道。所以呢，大家商量了一下，决定暂时把你抽调出来，全力投入这个事情。一呢，要搞清楚到底是什么问题，二呢，把问题彻底解决掉”。

要不怎么说当年的我就是纯洁啊，要是放到现在，这肯定是一个绝佳的跟老大讨价还价、多给自己争取个仨瓜俩枣的好机会啊。彼时单纯（其实就是弱智）的我却觉得天大的展示自己身手的时刻终于到来了，于是欣然接受。老大神情轻松了一些，但还带着少许疑惑：这货不知道行不行，但愿不要把老子也坑了。然后溜溜达达的走了。

（二）衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴

我一夜无眠，小心脏一直在忽冬忽冬滴乱跳。第二天我一头扎进了封闭的实验室。实验室里堆了好多单板，好的一堆，坏的一堆，然后各种仪器和电脑。整整一周，我都在实验室里瞎折腾，除了一遍又一遍的证实了问题现象确实如老大所描述的，然后就是看那9000多行的HDL代码。写代码的同事不知道是故意的还是习惯如此：注释少的可怜、设计文档和实际代码差异极大（文档在说水果里面桃子最好吃，代码写的是大飞机C919很威武）、变量的命名也毫无规律，后缀_addr的变量居然是数据总线，而后缀_data的变量才是地址总线。我心说：“哥啊，地球人都知道花花轿子人抬人。你我素昧平生、素不相识、萍水那个从未相逢，可为神马你就知道我要被派来收拾你的烂摊子，这么多花样来收拾我涅？”

一周毫无进展，我很沮丧。浑浑噩噩的过了周末（其实也就是周日一天），周一继续钻进实验室。开放办公区里莺歌燕语，其乐融融，就我一个人傻兮兮的在实验室里古佛青灯兼顾影自怜，相当称得上凄凄惨惨戚戚。中间老大时不时的过来关心我一下，其实就是监工外加检查进度。可是没进度可言：我根本不知道问题出在哪里，这么短的时间把小一万行HDL代码都看明白也不可能。如果我能的话，那我应该去做老大的老大了（那会儿大家都崇拜技术牛人，普遍觉得谁技术牛谁就应该做老大）。

一转眼就到周五下午了，我在实验室里垂头丧气。双手捂着脸，开始埋怨自己为什么接任务的时候才出现智商余额不足的fatal error。大显身手是彻底的forget about it了，弄不好倒可能因此把自己给葬送了。继而开始埋怨主管：我一直是顺民，挺听话也挺出活，你为啥要给我刨这么大的一个坑涅？百撕不得奇解啊。一头雾水兼百无聊赖，我拿起一块单板，盯着那片FPGA。嗯，这里写着Malaysia，没想到Xilinx在大马还有工厂。换一块单板，嗯，还是Malaysia。这不是废话么，买一批至少也是几千片，当然都是Malaysia。正要仰天长叹“天亡我也，非我不能也”，忽然瞥见另一块单板的FPGA上印的似乎不是Malaysia，拿起一看，果然印的是Taiwan。终于找到一点有意思的事情做了，于是再拿一块，嗯，Taiwan，再拿一块，嗯大马。拿着拿着，忽然发现一个规律：从那堆坏板子里拿的都是印着Malaysia；从那堆好板子里拿的都是印着Taiwan。

（三）众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处

工程师都知道，寻找好板和坏板之间的“差异”是定位问题的利器之一啊。因此当时虽然没有欣喜若狂，但是也隐隐看到了一丝曙光。

我冲出实验室，一溜小跑去了焊板实验室。找到了焊板的同事，让他现场给我焊两块单板，一块必须用产自大马的FPGA，一块必须用产自台湾的FPGA。那个老兄很奇怪的看了我一眼，然后又一眼。后来我才想明白估计我是第一个在乎芯片产地的怪咖。

我就站在他旁边，看着他工作，觉得时间过得奇慢无比。拿到了焊好的两块板子，又以百米冲刺的速度杀回实验室，隐隐约约听到有同事在抱怨：发哪门子神经，刮这么大的风。我以迅雷不及掩耳盗铃之势，先把台湾板子安装好，上电启动、加载、运行，果然是好的；拆掉台湾，换上大马板子，上电启动、加载、运行，果然出误码了。问题确诊了！为了保险起见，我从坏板和好板堆里各取了两块单板进行了验证，现象是一致的。

此时距离下班也就十几分钟了，我赶紧去了老大的工位，强压着鸡冻滴小心情，向老大汇报：“老大，告诉生产那边，发货只能用产自台湾的芯片，马来西亚的坚决不能用。我怀疑产自马来西亚的芯片的容差小，产自台湾的芯片的容差比较大。而设计本身肯定存在时序打擦边球的情况，导致使用产自马来西亚芯片的单板会出误码，而使用产自台湾的芯片则没有问题。到底是哪里的时序存在擦边球的隐患，我还需要进一步熟悉代码，寻找之而修改之而长治久安也”。老大难得的露出了笑容：“嗯，不错不错！这两周辛苦了，回去好好休息，下周全力解决问题。啊，对了，你该刮胡子了。”

周末跟老婆（那时候还是女朋友）去搓了一顿大餐，逛街，看电影，累得半死，但是心情那是相当的愉快。

我从实验室回到了工位，在感受人间烟火气的同时，全力看代码。认真的看了一整天之后，我发现前同事对于“同步”、“组合逻辑嵌套层次不能过多”等设计原则完全不care，隐患到处都是，要想彻底的解决这些隐患，只有一个办法：推倒重来。我去找老大说明了想法，老大说：“要不要这么夸张？劳资派你去解决问题，你解决问题就是了，搞这么大工程出来，有必要么？”我说：“老大，我以一个工程师滴半生清誉担保：如果不推倒重来，问题根本不能彻底解决。”老大无奈的挥了挥手，说话的同时目露凶光兼咬牙切齿：“是否推倒你来定。但素，市场那边给出的预测是最多三个月内，这块单板就会迎来发货高峰，到那时无论如何也要保证FPGA不出任何问题。你有信心滴干活？”“饿夫考斯啊老大，没有金刚钻，不揽瓷器活啊”，我心说：“你要是答应给我加五百块工资，没准儿我敢承诺一半的时间就给你搞出来”。

结果不到三个月，我的全套重写的代码就完成了，编译、加载、测试：不论是产自台湾的芯片还是马来西亚的芯片，完全没问题。老大不放心，特地多找了几块焊着马来西亚芯片的板子一遍又一遍的测试，结果仍然是no problem at all。

老大笑靥如花（港版那个），眼睛眯成了一条缝儿：“小样儿，行啊！”我只顾嘿嘿傻笑，结果忘了趁热打铁跟老大提加薪。曾经有一个机会摆在我面前，我没有珍惜。如果有重来一次的机会，我特么会加一个十万光年的期限。

过了没多久，Xilinx公司也发来了报告：由于马来工厂的某个车间顶部一个窗户没关严，导致车间纯净度不够，所以那段时间生产的芯片尽管各项指标都在合格范围内，但是都在边缘，从而容差能力都比较低。公司已经发现并做了相应处理，之后生产的芯片从一致性方面跟台湾产的芯片没有区别了。

Well，这就是我从业生涯中碰到的“芯片也要看出身”的“灵异”事件。给我的印象是如此之深，18年后我仍然记得清清楚楚。问题解决是在2000年的9月份，第二年，我惨遭表扬，获得了某公司的最高荣誉：XXXX奖。 

后记：

1.真实问题定位的过程很痛苦，也比文中描述的要复杂，因为那批单板使用的FPGA芯片还有另外一个产地：韩国。在定位问题的过程中，台湾和韩国的芯片加载原同事的设计都没有问题，马来产的就不行。于是比对、比对、再比对，最终确定了问题出在马来产的芯片上。

2. 我重写后的设计完全不区分芯片的产地。采用原同事设计、已经发货的那批单板，使用产自台湾、韩国的芯片而暂时没出问题的，总量大概几千块吧，这些单板在条件发生变化时（比如温度变化、电压变化），出误码是必然的。好在那时候运营商对国产厂家都比较宽容，用服的同事找了各种机会，神不知鬼不觉的对这些单板上的FPGA重新加载了新版本，彻底消除了隐患。

3. 9000多行代码，我用了大概70个工作日进行了重写，计算开发效率，大约是130行/人天。实际上，我做过个人职业生涯的不完全统计：使用HDL开发FPGA，从全流程的角度来计算（从需求分析到最终发布），效率不会超过20行/人天，跟软件开发效率大致类似。当然，随着新的设计语言以及工具等方面的进步，开发效率会逐步提升是毫无疑问的。

4. 文档真的很重要、很重要、很重要。很多人会说：整个设计（模块）我闭着眼睛都能知道哪行代码是干嘛的，文档意义不大。但素，人的记忆是会衰退的。如果设计天衣无缝、没有任何问题，在整个生命周期里没有任何升级或者功能变动，那么文档也许没那么重要。但素，大家想一想，对于FPGA来说，上述条件全部满足的概率是不是和行星撞地球差不多？我几乎重写了整个设计文档，基本能保证文档描述的是西施，而设计至少是凤姐。

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本文作者：隐达，阿里云资深专家，花名的意思就是做人隐，做事达。业余时间喜欢看美剧和读书，尤其是历史书；还喜欢喝点小酒侃大山，喝酒只喝啤酒和威士忌；酒量比较差，但是酒品还过得去。我在某通信公司工作了18年，其中十年的大规模FPGA/ASIC开发和系统设计，刚刚加入阿里云，负责FPGA/ASIC异构计算。

 

审核编辑：黄飞