几周前，我收到了一个工科学生的留言:“为什么编译我的FPGA设计要花这么长时间?”这种推特式的简洁让我半自觉地发出了一些半有用的标准回应，学生回答说:“我的其他项目……似乎几乎可以立即编译，但FPGA需要永远。”一层洋葱剥落了。这是一个学生，他把HDL看作是另一种编程语言。对他来说，合成-放置-路由的步骤只是另一个“编译器”，他不明白为什么这个编译器比gcc要花那么多时间来完成工作。

逻辑合成的“开始”按钮的想法可能起源于20世纪90年代Synplicity的Ken McElvain和他的朋友们。在此之前，fpga的逻辑合成是ASIC合成的惯用兄弟，其中的工具具有复杂的驾驶舱，由数千个调优选项和数百行自定义调试脚本组成。在那个世界里，合成工具的使用本身就是一种黑色艺术——是少数工程师的专利，他们勇敢地经历了无数小时的试错，经历了数万亿次的机器循环，找到了一个神奇的配方，可以从HDL代码开始，在一个数量级的范围内产生一些手工优化的原理图设计。

McElvain的Synplicity大胆地构建了一个专门针对FPGA的合成工具(当时大多数FPGA合成都是通过修改后的ASIC合成工具完成的)，而且，由于大多数FPGA设计师没有ASIC的丰富经验基础，他决定尝试将所有的调整和调整封装到工具本身的启发中。为最终用户提供一个大的“开始”按钮，指示工具在最佳解决方案中进行最佳猜测，同时保护用户免受合成过程的难以置信的复杂性。结果是惊人的。大量的FPGA设计人员涌向Synplicity工具。除了少数受过广泛综合训练的精英工程师外，一键工具的易用性胜过了传统工具的数千种选择。此外，当资金涌入Synplicity时，工程精力被用于优化一键式流程。很快，大多数用户可以通过自动化方法获得更好的结果，而不是导航其他工具提供的大量处理选项来寻找一个神奇的配方。

FPGA合成是一个比ASIC合成复杂得多的问题。虽然ASIC门非常接近学术研究人员所想象的资源-具有不同输入宽度的基本逻辑门，但fpga的查找表(lut)粒度更粗，更难以使用传统算法进行映射。正因为如此，专用FPGA合成工具(如Synplicity公司的Synplify和Exemplar Logic公司的Leonardo)迅速获得了实质性的技术领先优势，超过了来自Synopsys、Cadence和Magma公司的重新用途的ASIC合成工具。FPGA合成已经成为了自己的舞台。

随着FPGA合成技术集中在两家公司——Synplicity和Mentor Graphics(后者收购了Exemplar Logic及其Leonardo工具)——大型FPGA公司遇到了问题。将fpga交付给大众的最重要的技术仅由两家EDA公司拥有，其中一家对fpga只有部分兴趣。这些eda公司的合成工具非常昂贵(数万美元)，因此对于认真的FPGA设计人员来说，进入门槛非常高。Xilinx和Altera希望降低这个门槛，这样更多的工程师就可以尝试FPGA设计，他们当然不希望第三方掌握FPGA王国的钥匙。

两家FPGA公司都制定了补救方案。首先，他们都与EDA公司签订了OEM协议，将其FPGA合成工具的低成本、低功能版本作为FPGA公司标准工具套件的一部分。这些OEM交易为急切的EDA公司提供了诱人的短期回报，但它们也迅速饱和了低成本工具的市场，迫使EDA公司与自己竞争FPGA合成座椅，并使他们处于只能向最苛刻和资金充足的设计师和团队销售的位置。除了实现降低FPGA设计门槛的最初目标外，这些OEM协议对FPGA公司还有另一个好处。他们赢得了时间。

FPGA公司从OEM交易中获得的时间使他们能够适当地准备他们的战争机器。Xilinx和Altera都开始了自己的FPGA综合开发项目，其工程团队比Synplicity和Mentor大得多。赛灵思收购了由Gabrielle Saucier教授于1992年创立的法国逻辑合成公司IST，并将产品重新命名为“XST”。Altera悄悄地开始开发逻辑合成，将其作为Quartus开发工具的内置组件。

尽管FPGA公司在FPGA合成上玩后来后到的游戏，但他们有几个优势。首先，每家公司都可以专注于优化他们的工具，只针对他们的FPGA架构。他们没有生产通用工具的开销，也没有跨越多个架构的多个约束所带来的不可避免的权衡。其次，他们的FPGA合成团队可以影响未来FPGA架构的实际设计，而EDA合成团队无法做到这一点。第三，他们的FPGA合成团队尽可能早地访问和最详细地了解他们公司的FPGA架构。第四，他们可以使用EDA公司的工具并定期对其进行基准测试。这给了他们一个已知的、可测量的目标。

对于EDA公司来说，FPGA公司的持续努力扼杀了他们的资金并减少了他们的工程预算。他们试图用更小的工程团队和更复杂的问题来保持工具能力上的微弱领先。然而，年复一年，他们似乎取得了成功。商业EDA合成工具-即使在今天-通常比FPGA公司提供的结果更好。

但差距仍在缩小。

第三方FPGA合成最严重的复杂性来自摩尔定律。随着fpga变得更大(几何形状更小)，路由延迟——作为通过逻辑路径的总延迟的百分比——变得更大。在早期的FPGA架构中，逻辑延迟是主要因素，通过对寄存器之间的逻辑层数的简单了解，可以对逻辑路径延迟进行合理的(+/- 15%-20%)估计。然而，当路由延迟成为主导因素时，芯片的布局而不是逻辑拓扑成为决定时序的因素。合成工具现在需要关于设计的位置和路由的信息(这发生在合成之后)，以便对其优化算法的路由延迟做出合理的估计。然而，位置和路由技术由FPGA公司独家拥有。

FPGA公司象征性地努力支持EDA公司的物理合成工作。他们添加了接口来进行反向注释，或者让合成工具访问放置数据和估计路由延迟。他们甚至与EDA公司达成技术合作协议，共同开发物理合成能力。然而，在幕后，他们的合成团队仍在努力改进他们的优化算法，并与他们自己的位置和路线工具紧密集成。他们庞大的安装基础为他们提供了来自世界各地各种设计项目的前所未有的反馈渠道，并且他们比eda更大的员工水平(他们不必根据季度工具收入来证明他们的工资)使他们与商业同行相比具有显著的优势。

不祥之兆就在墙上。

随着时间的推移，似乎只有FPGA公司的合成和布线工具将不可避免地生存下来。EDA公司用于FPGA合成的利润空间持续萎缩。自从Synplicity被EDA巨头新思科技(Synopsys)收购以来，他们的行动变得越来越难以追踪。虽然他们仍然有一个健康的产品发布流和对Synplicity产品的升级，但作为一家公司，Synopsys并没有对FPGA市场表现出很大的承诺或信心(并且有很好的理由)。随着时间的推移，Mentor Graphics的FPGA消息也逐渐变得安静。也许大型EDA公司都在努力解决FPGA工具市场中同样的复杂性，并试图决定如何进行。他们的历史应该告诉他们，核心支持工具技术是使用第三方EDA工具取得“全垒打”的唯一途径。FPGA公司在占领和捍卫FPGA合成市场方面做了令人钦佩的工作，他们不会轻易放弃。这一单一的胜利几乎完全阻止了EDA公司在快速增长的FPGA市场中任何有意义的、高增长的、高收益的参与。

如果EDA公司输了，其他公司也会输。总的来说，规模较小的新兴FPGA公司没有资源或时间来开发自己的合成能力。这意味着他们的命运与第三方EDA合成工具的命运息息相关。然而，他们较小的受众不足以将EDA公司带入稳健的、有利可图的业务。如果EDA放弃FPGA合成，像Lattice、Actel/Microsemi等较小的FPGA公司可能会陷入大麻烦。

随着fpga在市场上的作用不断扩大，这种对实现技术(如合成和定位和路由)的垄断变得更加阴险。虽然对于初创公司来说，想出一个新的FPGA结构架构，与商业IC代工厂达成协议，并开始生产自己的FPGA相对容易，但无论预算如何，几乎不可能创建一个强大的，商业上可行的合成和放置和路由工具套件。除了数百万美元的工程和多年的时间来成熟，合成和位置和路径神秘地需要大量的客户来发展。众所周知，随机敲打字机的猴子数量是无限的，它们用无限少的时间写出莎士比亚的全部作品，比它们想出一个工作的FPGA合成工具要少得多。

由于两家大型FPGA公司在FPGA技术出现的繁荣时期发展了他们的忠实受众，因此愿意和宽容的小白鼠的机会已经过去了。合成和位置与路径都是np完全计算问题，因此没有“灵丹妙药”算法可以产生更好的结果。这些能力的开发需要数年的测试、进化和对极其复杂的软件系统的微调，以达到我们今天认为理所当然的能力水平。例如，如果像英特尔这样的公司想要以一种有意义的方式进入FPGA业务，除了收购现有的大型FPGA公司之外，他们几乎没有别的选择——特别是收购合成和放置和路由的核心技术。

如果fpga(或一般的可编程逻辑技术)是数字电子产品的一个长期重要组成部分，那么合成和放置和路由将只有两家公司——Xilinx和Altera——在这个市场上占据了巨大的利润和增长的可能。对于两家中等规模的公司来说，这是一个很大的责任。

亲爱的工科学生，关于你关于FPGA合成和布线与gcc比较的问题…见上文。

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