摘要：雙精度浮點(diǎn)乘法部件是高性能CPU的核心運(yùn)算部件之一。描述了使用Cadence Stratus HLS工具設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)雙精度浮點(diǎn)乘法部件，探索新設(shè)計(jì)方法學(xué)在關(guān)鍵路徑延時(shí)調(diào)整、數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化以及低功耗優(yōu)化等問(wèn)題的解決方法，并探討如何將新的設(shè)計(jì)流程結(jié)合到原有項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中等問(wèn)題。最終，高階綜合設(shè)計(jì)的RTL，在28 nm工藝下綜合實(shí)現(xiàn)頻率為2.5 GHz、面積為28 211 μm2，基本滿足高性能微處理器的開(kāi)發(fā)要求，增強(qiáng)了在項(xiàng)目中更加廣泛地使用新設(shè)計(jì)方法學(xué)的信心。

0 引言

數(shù)字多媒體的廣泛應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展、人工智能等新興領(lǐng)域的蓬勃興起，對(duì)通用處理器的計(jì)算能力要求越來(lái)越高。采用更加復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)、探索效率更高的架構(gòu)有助于提升通用處理器的性能。然而在傳統(tǒng)的寄存器傳輸級(jí)（Register Transfer level，RTL）設(shè)計(jì)流程中，設(shè)計(jì)人員完成運(yùn)算功能設(shè)計(jì)時(shí)需消耗大量時(shí)間在狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)、流水棧劃分和調(diào)整、端口協(xié)議、存儲(chǔ)設(shè)計(jì)等復(fù)雜、難以驗(yàn)證和優(yōu)化的部分。而且由于RTL抽象層次較低，需要大量的時(shí)間和資源驗(yàn)證RTL的功能，最后導(dǎo)致較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期。Stratus高階綜合工具（High-level Synthesis，HLS）基于高階綜合設(shè)計(jì)方法學(xué)，將設(shè)計(jì)層次抽象到算法級(jí)，將設(shè)計(jì)的低值且復(fù)雜的領(lǐng)域交給工具自動(dòng)完成，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間應(yīng)用在算法設(shè)計(jì)、優(yōu)化、架構(gòu)探索等高價(jià)值領(lǐng)域，提高設(shè)計(jì)效率，專(zhuān)注產(chǎn)品質(zhì)量的提升。本文基于Cadence公司的高階綜合工具Stratus設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高頻低功耗的雙精度浮點(diǎn)乘法模塊，并在此過(guò)程中探討高階綜合完成產(chǎn)品前端設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、優(yōu)化、性能評(píng)估的方法和流程。

1 HLS應(yīng)用流程

Stratus HLS將設(shè)計(jì)抽象到算法級(jí)，對(duì)算法做硬件微架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想后，使用高級(jí)語(yǔ)言SystemC/C/C++描述設(shè)計(jì)，并在高級(jí)語(yǔ)言層對(duì)設(shè)計(jì)做充分的非時(shí)序功能驗(yàn)證，如圖1中設(shè)計(jì)階段1所示。在設(shè)計(jì)階段2，首先需根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)置高階綜合的約束文件及工藝庫(kù)。然后將設(shè)計(jì)階段1完成的SystemC代碼和約束文件灌入Stratus HLS工具，由工具完成狀態(tài)機(jī)、寄存器插入、流水線級(jí)數(shù)設(shè)置等控制電路，生成符合時(shí)序、面積、性能要求的RTL代碼。最后對(duì)RTL代碼做PPA檢查，選擇使用邏輯綜合工具再一次對(duì)HLS生成的RTL代碼做性能評(píng)估，如果符合要求，則開(kāi)始做RTL的完整功能驗(yàn)證。如果PPA檢查不能達(dá)到目標(biāo)要求，則需要對(duì)關(guān)鍵路徑進(jìn)行分析、優(yōu)化，此時(shí)可以充分利用HLS工具自帶的優(yōu)化功能加速優(yōu)化設(shè)計(jì)迭代的完成過(guò)程。功能驗(yàn)證正確后，則可以進(jìn)入設(shè)計(jì)階段3，邏輯綜合后，設(shè)計(jì)交由后端做邏輯實(shí)現(xiàn)。

2 Fmul64 SystemC設(shè)計(jì)

雙精度浮點(diǎn)乘法運(yùn)算部件是通用CPU內(nèi)最基本運(yùn)算部件之一，其應(yīng)用要求高階綜合獲得RTL設(shè)計(jì)滿足2.5 GHz的高頻率，三站流水，并且其面積和功耗較小。此部分將介紹Fmul64的主要結(jié)構(gòu)和SystemC設(shè)計(jì)方法。

2.1 Fmul64_hls總體結(jié)構(gòu)

Fmul64的SC設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示，sc_main()是SystemC設(shè)計(jì)的top文件，連接測(cè)試環(huán)境Testbench和待測(cè)設(shè)計(jì)DUT。DUT即Fmul64，用SystemC語(yǔ)言中的SC_MODULE類(lèi)實(shí)現(xiàn)，作為此次設(shè)計(jì)的頂層模塊，同時(shí)在此模塊內(nèi)定義模塊的端口、時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、輸入端口、輸出端口等，作為設(shè)計(jì)的頭文件，并包含在其他文件內(nèi)使用。SystemC語(yǔ)言提供兩個(gè)方法用于設(shè)計(jì)功能的描述：SC_METHOD和SC_CTHREAD。其中SC_METHOD用于組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部不能包括wait()語(yǔ)句，而要實(shí)現(xiàn)的Fmul64是流水線設(shè)計(jì)，所以使用SC_CTHREAD用于乘法運(yùn)算功能的實(shí)現(xiàn)，函數(shù)命名為run。

2.2 SC_CTHREAD方法實(shí)現(xiàn)

SC_CTHREAD進(jìn)程實(shí)現(xiàn)如圖3所示，首先設(shè)置需要復(fù)位的信號(hào)和復(fù)位值，然后是定義無(wú)限循環(huán)語(yǔ)句，并在內(nèi)部調(diào)用輸入輸出信號(hào)的讀寫(xiě)函數(shù)和含3階波茲編碼的乘法運(yùn)算函數(shù)do_booth3_multply。這里用HLS命令HLS_PIPELINE_LOOP設(shè)置設(shè)計(jì)類(lèi)型，即吞吐率參數(shù)PIPELINE_Ⅱ設(shè)為1，即將Fmul64_hls設(shè)置為流水線型設(shè)計(jì)，并用HLS_CONSTRAINT_LATENCY設(shè)定流水線拍數(shù)LATENCY為3。Stratus HLS允許將吞吐率和延遲使用宏定義的形式，便于架構(gòu)探索時(shí)更改參數(shù)。

2.3 Fmul64行為級(jí)實(shí)現(xiàn)

雙精度浮點(diǎn)乘法運(yùn)算過(guò)程如圖4所示。首先對(duì)輸入乘法操作數(shù)做數(shù)據(jù)的預(yù)處理，然后做尾數(shù)相乘的乘法運(yùn)算，在這里，本文做了架構(gòu)探索，一種架構(gòu)是使用3階波茲編碼算法實(shí)現(xiàn)雙精度浮點(diǎn)尾數(shù)乘法運(yùn)算；另一種是使用乘號(hào)“*”直接完成浮點(diǎn)尾數(shù)相乘運(yùn)算，讓工具來(lái)完成乘法運(yùn)算的具體實(shí)現(xiàn)。兩種架構(gòu)的驗(yàn)證環(huán)境、優(yōu)化流程是相同的，所以后續(xù)設(shè)計(jì)將以Fmul64波茲編碼設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹，最后會(huì)介紹兩者邏輯綜合結(jié)果。設(shè)計(jì)中使用到的高階綜合指導(dǎo)語(yǔ)句(主要是HLS_DPOPT_REGION)如圖5所示。

至此，SC代碼設(shè)計(jì)已完成，并且按照設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求使用高階綜合指導(dǎo)語(yǔ)句設(shè)置了流水線和時(shí)序要求，可以開(kāi)始后續(xù)的驗(yàn)證和高階綜合處理。雖然設(shè)計(jì)是使用高級(jí)語(yǔ)言SystemC描述，但是其微架構(gòu)仍然是符合硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)規(guī)則的，所以需要注意保持良好的SystemC代碼風(fēng)格非常重要。

3 功能驗(yàn)證

Stratus HLS工具提供統(tǒng)一的驗(yàn)證平臺(tái)，所以在SC級(jí)的測(cè)試用例可以同樣用于RTL代碼的驗(yàn)證。但是，SC設(shè)計(jì)是不包含時(shí)序信息的，所以包含時(shí)序的RTL驗(yàn)證也是必需的，除了在Stratus內(nèi)回歸測(cè)試SC代碼的用例，還將使用已有的UVM平臺(tái)，對(duì)RTL和SC設(shè)計(jì)同時(shí)驗(yàn)證，一方面驗(yàn)證RTL的功能并收集RTL覆蓋率，另一方面一定程度上驗(yàn)證SC設(shè)計(jì)和RTL代碼的一致性。所以HLS設(shè)計(jì)的驗(yàn)證分為2個(gè)方面：

(1)基于Stratus HLS的驗(yàn)證

①SC行為級(jí)模型驗(yàn)證（SystemC behavioral model）

②綜合的SC RTL模型驗(yàn)證(Synthesized SystemC RTL model)

(2)基于UVM的SystemC&RTL的驗(yàn)證

Verilog RTL實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證(Verilog RTL implementation)

3.1 基于Stratus HLS的驗(yàn)證

基于Stratus HLS環(huán)境，本文使用SystemC建立設(shè)計(jì)的Testbench環(huán)境，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)的定義是在主函數(shù)內(nèi)，并連接到測(cè)試模塊和待測(cè)設(shè)計(jì)模塊。Testbench中共實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程，Stimuli和Monitor。Stimuli進(jìn)程里調(diào)用SystemC語(yǔ)言提供的隨機(jī)數(shù)據(jù)生成函數(shù)，生成測(cè)試的隨機(jī)數(shù)據(jù)。Monitor進(jìn)程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的雙精度乘法運(yùn)算模型，用于待測(cè)設(shè)計(jì)的參考模型，并在此處監(jiān)測(cè)DUT的結(jié)果輸出，獲得DUT結(jié)果并與參考模型結(jié)果做比對(duì)，判斷結(jié)果的正確性。Stratus HLS工具內(nèi)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)SC設(shè)計(jì)和RTL設(shè)計(jì)使用同一個(gè)Testbench驗(yàn)證，只要在project.tcl中定義不同的define_sim_config時(shí)，指定為RTL_C是對(duì)SC設(shè)計(jì)驗(yàn)證或者指定RTL_V是測(cè)試高階綜合生成的RTL模型。

3.2 基于UVM的SystemC&RTL驗(yàn)證

UVM驗(yàn)證環(huán)境是既有的乘法運(yùn)算驗(yàn)證環(huán)境，如圖7所示，可以對(duì)Fmul64_hls設(shè)計(jì)做完整的功能驗(yàn)證、覆蓋率收集、斷言監(jiān)測(cè)，同時(shí)將SC設(shè)計(jì)也放到了驗(yàn)證環(huán)境里，但是需要對(duì)其外包一個(gè)殼，可以由Stratus工具自動(dòng)生成。此部分功能驗(yàn)證即如圖1 Stratus HLS設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)階段2中的功能驗(yàn)證2，因?yàn)楦唠A綜合生成RTL代碼的可讀性較差，所以如果測(cè)試用例結(jié)果不一致，尤其SC設(shè)計(jì)的結(jié)果也報(bào)錯(cuò)的話，則需要將測(cè)試用例轉(zhuǎn)到Stratus HLS環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試。

4 性能評(píng)估

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

Stratus HLS在將SC設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為RTL代碼時(shí)，由于評(píng)估的謹(jǐn)慎性，會(huì)給出更加悲觀的結(jié)果，因此本文選擇使用邏輯綜合工具評(píng)估HLS設(shè)計(jì)的PPA檢查，邏輯綜合約束參考設(shè)計(jì)實(shí)際實(shí)現(xiàn)要求，所以比HLS工具中的邏輯綜合約束設(shè)置得更加細(xì)致，最后根據(jù)邏輯綜合結(jié)果來(lái)決定是否做設(shè)計(jì)優(yōu)化的迭代。

在時(shí)序較為緊張的時(shí)候，Stratus通常需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)做高階綜合優(yōu)化和調(diào)度，這就使設(shè)計(jì)優(yōu)化迭代的時(shí)間非常長(zhǎng)，是違背使用高階綜合工具提高設(shè)計(jì)效率初衷的。但是Stratus提供多種有效的數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化方法，可以有效地改善路徑延遲，提高高階綜合效率。比如在設(shè)計(jì)優(yōu)化迭代過(guò)程中添加DPOPT，如圖5 SC實(shí)現(xiàn)Fmul64過(guò)程中的主要HLS指導(dǎo)語(yǔ)句所示。DPOPT會(huì)調(diào)用內(nèi)部集成的邏輯綜合工具優(yōu)化這部分設(shè)計(jì)，而且DPOPT通常會(huì)使Stratus綜合一版RTL用時(shí)大為縮短，從而大幅提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

4.2 低功耗優(yōu)化

Stratus工具自帶低功耗優(yōu)化選項(xiàng)，可以自動(dòng)完成寄存器門(mén)控時(shí)鐘的插入、時(shí)鐘樹(shù)優(yōu)化、狀態(tài)機(jī)優(yōu)化等。本文的設(shè)計(jì)是運(yùn)算功能模塊，要求在沒(méi)有此模塊運(yùn)算指令的情況下，模塊完全關(guān)閉，動(dòng)態(tài)功耗為零；有乘法運(yùn)算指令的情況下，動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗能夠盡可能小。Fmul4_booth3的初次功耗評(píng)估結(jié)果如表1所示。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)，可以了解到Fmul64_HLS設(shè)計(jì)在無(wú)乘法運(yùn)算時(shí)，滿足動(dòng)態(tài)功耗為零的要求，但是在有乘法運(yùn)算指令時(shí)的功耗卻比較大，不滿足功耗要求，需要對(duì)功耗做進(jìn)一步的優(yōu)化。分析設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)DPOPT功耗和資源共享都會(huì)引起功耗的增加，所以在project增加以下選項(xiàng)優(yōu)化功耗：

(1)set_attr dpopt_with_enable on

(2)set_attr sharing_effort_parts low

dpopt_with_enable對(duì)RTL架構(gòu)的影響如圖8所示。

顯然dpopt_with_enable=on的RTL架構(gòu)是對(duì)靜態(tài)功耗的優(yōu)化大有幫助的。

sharing_effort_parts =low 會(huì)停止演算器的共享。經(jīng)分析，這個(gè)選項(xiàng)可以減少不必要的演算器的共享從而可優(yōu)化動(dòng)態(tài)功耗以及時(shí)序。優(yōu)化之后的Fmul64_booth3功耗如表2所示。

可以看到通過(guò)設(shè)置優(yōu)化選項(xiàng)，靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗均有所優(yōu)化，其中靜態(tài)功耗約優(yōu)化了5%，動(dòng)態(tài)功耗優(yōu)化了約39%。寄存器門(mén)控比率達(dá)到100%，完全由工具完成寄存器門(mén)控時(shí)鐘的插入和低功耗優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)效率。

4.3 邏輯綜合結(jié)果

高階綜合設(shè)計(jì)的RTL功能驗(yàn)證正確后，則設(shè)計(jì)可以做邏輯綜合。對(duì)兩種Fmul64架構(gòu)分別作了邏輯綜合，在28 nm工藝下，邏輯綜合結(jié)果如表3所示。

Stratus HLS給出的面積評(píng)估結(jié)果與邏輯綜合工具的結(jié)果有所不同，經(jīng)分析，Stratus HLS綜合約束并不嚴(yán)格，所以面積、延遲的評(píng)估數(shù)據(jù)存在誤差。而對(duì)比兩種架構(gòu)綜合結(jié)果，可以看到Fmul64用乘號(hào)代替波茲編碼算法的設(shè)計(jì)面積上更優(yōu)化，而時(shí)序結(jié)果相對(duì)較差，但是，其在設(shè)計(jì)時(shí)間的節(jié)省是非常顯著的。

5 結(jié)論

Stratus HLS工具改變了設(shè)計(jì)的抽象層次，所以其在工程中的應(yīng)用流程與傳統(tǒng)RTL設(shè)計(jì)是有區(qū)別的，驗(yàn)證環(huán)境、調(diào)試流程、驗(yàn)證收斂的依據(jù)、邏輯綜合優(yōu)化的時(shí)間等問(wèn)題的解決提前到了算法級(jí)，而且可以將微架構(gòu)的探索加入到設(shè)計(jì)流程，不變的是設(shè)計(jì)人員仍然需要從硬件的角度考慮SC代碼的微架構(gòu)設(shè)計(jì)。Stratus HLS工具強(qiáng)大的狀態(tài)機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)、資源自動(dòng)調(diào)度和共享、低功耗優(yōu)化等功能，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間用于架構(gòu)探索或者算法優(yōu)化，極大的縮短設(shè)計(jì)周期，拓展設(shè)計(jì)人員可控制設(shè)計(jì)規(guī)模上限，滿足工程項(xiàng)目的時(shí)間進(jìn)度要求，也增強(qiáng)了我們?cè)诠こ添?xiàng)目中推廣使用高階綜合工具的信心和決心。