インテル® Hyperflex™ アーキテクチャー高性能デザイン・ハンドブック

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ID 683353
日付 10/04/2021
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ドキュメント目次
ドキュメント目次 x
1. インテル® Hyperflex™ FPGAアーキテクチャーの概要 2. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャーRTLデザイン・ガイドライン 3. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャー・デザインのコンパイル 4. デザイン例ウォークスルー 5. リタイミングの制限と対処方法 6. 最適化の例　 7. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャーの移植ガイドライン 8. 付録 9. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャー高性能デザイン・ハンドブック 10. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャー高性能デザイン・ハンドブック
1. インテル® Hyperflex™ FPGAアーキテクチャーの概要 x
1.1. インテル® Hyperflex™ 基本的なデザインコンセプト
2. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャーRTLデザイン・ガイドライン x
2.1. 高速デザイン手法 2.2. Hyper-Retiming（レジスター移動を容易にする） 2.3. Hyper-Pipelining（​​パイプライン・レジスターの追加）　 2.4. Hyper-Optimization （RTLの最適化）
2.1. 高速デザイン手法 x
2.1.1. 高速ターゲットを設定する 2.1.2. 実験と反復 2.1.3. コンポーネントを独立してコンパイルする 2.1.4. サブモジュールの最適化 2.1.5. ブロードキャスト信号を避ける
2.1.1. 高速ターゲットを設定する x
2.1.1.1. 速度とタイミング収束 2.1.1.2. スピードとレイテンシー
2.2. Hyper-Retiming（レジスター移動を容易にする） x
2.2.1. リセット戦略 2.2.2. クロックイネーブルの戦略 2.2.3. 合成中のレジスターの保持 2.2.4. タイミングの検討事項 2.2.5. クロックイネーブルの戦略 2.2.6. 準安定シンクロナイザー 2.2.7. 初期のパワーアップ条件 2.2.8. RAMおよびDSPを介したリタイミング
2.2.1. リセット戦略 x
2.2.1.1. 非同期リセットを削除する 2.2.1.2. グローバル・クロック・ツリーでの同期リセット 2.2.1.3. I/Oポートの同期リセット 2.2.1.4. 重複およびパイプライン同期リセット
2.2.2. クロックイネーブルの戦略 x
2.2.2.1. ローカライズされたクロック・イネーブル 2.2.2.2. 高いファンアウト・クロック・イネーブル 2.2.2.3. タイミング例外を使用したクロックイネーブル
2.2.4. タイミングの検討事項 x
2.2.4.1. マルチサイクル･パスの最適化 2.2.4.2. 過剰制約
2.2.5. クロックイネーブルの戦略 x
2.2.5.1. クロックドメイン交差制約ガイドライン
2.2.7. 初期のパワーアップ条件 x
2.2.7.1. 初期条件の指定 2.2.7.2. 初期条件とリタイミング 2.2.7.3. 初期条件とHyper-Registers 2.2.7.4. リセット・シーケンスのリタイミング
2.2.7.3. 初期条件とHyper-Registers x
2.2.7.3.1. クロックのゲートの実装 2.2.7.3.2. 初期条件の インテル® Quartus® Primeの設定
2.3. Hyper-Pipelining（​​パイプライン・レジスターの追加）　 x
2.3.1. 従来型とHyper-Pipeliningの比較 2.3.2. パイプライニングとレイテンシー 2.3.3. 複数サイクルの例外の代わりにレジスターの使用
2.3.2. パイプライニングとレイテンシー x
2.3.2.1. 可変レイテンシーのロケーションでのパイプライン化　 2.3.2.2. 自動パイプライン挿入　
2.3.2.1. 可変レイテンシーのロケーションでのパイプライン化　 x
2.3.2.1.1. レイテンシー・インセンシティブのフォールスパスの指定
2.3.2.2. 自動パイプライン挿入　 x
2.3.2.2.1. ステップ1：可変レイテンシー・モジュールを作成する 2.3.2.2.2. ステップ2：可変レイテンシー・モジュールのインスタンス化 2.3.2.2.3. ステップ3：自動パイプライン挿入オプションを確認する 7047834648 2.3.2.2.4. （オプション）可変レイテンシー・モジュールなしの自動パイプライン挿入
2.4. Hyper-Optimization （RTLの最適化） x
2.4.1. 一般的な最適化手法 2.4.2. 特定のデザイン構造の最適化
2.4.1. 一般的な最適化手法 x
2.4.1.1. Shannonの分解 2.4.1.2. タイムドメインの多重化 2.4.1.3. ループ・アンローリング 2.4.1.4. ループ・パイプライン 2.4.1.5. 事前計算　
2.4.1.1. Shannonの分解 x
2.4.1.1.1. Shannonの分解例 2.4.1.1.2. Shannonの分解のための回路の特定
2.4.1.4. ループ・パイプライン x
2.4.1.4.1. ループ・パイプライン理論 2.4.1.4.2. ループ・パイプラインにおデモ 2.4.1.4.3. ループ・パイプラインおよび合成の最適化
2.4.2. 特定のデザイン構造の最適化 x
2.4.2.1. 高速クロック・ドメイン 2.4.2.2. ループの再構築 2.4.2.3. コントロール信号のバックプレッシャー 2.4.2.4. FIFOステータス信号によるフロー・コントロール 2.4.2.5. スキッドバッファーを使用したフロー制御 2.4.2.6. リードモディファイライトメモリー 2.4.2.7. カウンターとアキュムレーター　 2.4.2.8. ステートマシン 2.4.2.9. メモリー 2.4.2.10. DSPブロック 2.4.2.11. 一般ロジック 2.4.2.12. モジュラスと除算 2.4.2.13. リセット 2.4.2.14. ハードウェアの再利用 2.4.2.15. アルゴリズム要件 2.4.2.16. FIFO 2.4.2.17. 三進加算器
2.4.2.1. 高速クロック・ドメイン x
2.4.2.1.1. クロック・ネットワークの視覚化 2.4.2.1.2. Fitter Reportでのクロックネットワークの表示 2.4.2.1.3. TimeQuestでのクロックの表示
2.4.2.9. メモリー x
2.4.2.9.1. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャーのデュアル・ポート・メモリー 2.4.2.9.2. シンプル・デュアル・ポート・メモリー 2.4.2.9.3. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャーのシンプル・デュアル・ポート・メモリーの例 2.4.2.9.4. メモリー混合ポート幅比制限 2.4.2.9.5. レジスターされないRAM出力
3. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャー・デザインのコンパイル x
3.1. サブモジュールを独立してコンパイルする 3.2. Design Assistantのデザインルールチェック
3.2. Design Assistantのデザインルールチェック x
3.2.1. コンパイル中のDesign Assistantの実行 3.2.2. 解析モードでのDesign Assistantの実行 3.2.3. ハイパーリタイマーの準備ルール
3.2.2. 解析モードでのDesign Assistantの実行 x
3.2.2.1. Design Assistantからのクロスプローブ 3.2.2.2. Chip PlannerからのDesign Assistantの実行 3.2.2.3. Timing AnalyzerからDesign Assistantを実行
4. デザイン例ウォークスルー x
4.1. メジアンフィルターのデザイン例
4.1. メジアンフィルターのデザイン例 x
メジアンフィルターのデザイン例 4.1.1. ステップ1：基本デザインのコンパイル 4.1.2. ステップ2：パイプライン・ステージを追加し、非同期リセットを削除する 4.1.3. ステップ3：パイプライン・ステージを追加して、すべての非同期リセットを削除する 4.1.4. ステップ4：ショートパスとロングパスの条件を最適化する
5. リタイミングの制限と対処方法 x
5.1. dont_merge合成属性の設定　 5.2. クリティカル・チェインレポートの解釈
5.2. クリティカル・チェインレポートの解釈 x
5.2.1. Insufficient Registers 5.2.2. ショートパス/ロングパス 5.2.3. Fast Forwardの制限 5.2.4. ループ 5.2.5. クロックドメインごとに1つのクリティカル・チェーン 5.2.6. 関連するクロックグループのクリティカル・チェーン 5.2.7. 複雑なクリティカル・チェーン 5.2.8. 配置可能ノードの拡張 5.2.9. ドメイン境界エントリとドメイン境界出口 5.2.10. デュアル・クロック・メモリーを備えたクリティカル・チェーン 5.2.11. クリティカル・チェーン・ビットとバス 5.2.12. ディレイライン
5.2.1. Insufficient Registers x
5.2.1.1. Insufficient Registersの例 5.2.1.2. Insufficient Registersの最適化 5.2.1.3. デュアル・クロック・メモリーを備えたクリティカル・チェーン
5.2.2. ショートパス/ロングパス x
5.2.2.1. Hyper-Registersの位置が見つからない 5.2.2.2. 保留最適化の例 5.2.2.3. ショートパス/ロングパスの最適化 5.2.2.4. レジスターの追加 5.2.2.5. 重複する共通ノード 5.2.2.6. データとコントロール・プレーン
5.2.3. Fast Forwardの制限 x
5.2.3.1. パス制限の最適化
5.2.4. ループ x
5.2.4.1. クリティカル・チェーンを制限するループの例
6. 最適化の例　 x
6.1. ラウンド・ロビン・スケジュラー
7. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャーの移植ガイドライン x
7.1. デザインの移行とパフォーマンスの調査 7.2. トップレベル・デザインの考慮事項
7.1. デザインの移行とパフォーマンスの調査 x
7.1.1. Verilog HDLモジュールのブラックボックス化 7.1.2. VHDLモジュールのブラックボックス化 7.1.3. クロック管理 7.1.4. ピン･アサインメント 7.1.5. トランシーバー・コントロール・ロジック 7.1.6. 期限の切れたIPコアのアップグレード
8. 付録 x
8.1. 付録A：パラメーター化可能パイプライン・モジュール 8.2. 付録B：クロックの有効化とリセット
8.2. 付録B：クロックの有効化とリセット x
8.2.1. 同期リセットと制限 8.2.2. クロックイネーブルを使用したリタイミング 8.2.3. 最短経路の解決
8.2.1. 同期リセットと制限 x
8.2.1.1. 非同期リセット入力。
8.2.2. クロックイネーブルを使用したリタイミング x
8.2.2.1. 放送コントロール信号の例
1. インテル® Hyperflex™ FPGAアーキテクチャーの概要
2. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャーRTLデザイン・ガイドライン
3. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャー・デザインのコンパイル
4. デザイン例ウォークスルー
5. リタイミングの制限と対処方法
6. 最適化の例　
7. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャーの移植ガイドライン
8. 付録
9. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャー高性能デザイン・ハンドブック
10. インテル® Hyperflex™ アーキテクチャー高性能デザイン・ハンドブック

4.1. メジアンフィルターのデザイン例

このウォークスルーでは、画像処理のメディアン・フィルター・デザインを使用して、Fast ForwardコンパイルとHyper-Retimingを使用する方法を示します。メディアン・フィルターは、画像からインパルス性ノイズを除去する非線形フィルターです。これらのフィルターは最高の性能を必要とします。デザイン要件は、ファクトリ・フロアでリアルタイム画像処理を実行することです。

でン、このウォークスルーでのためのデザイン支援プロジェクト例とデザインファイルを見つけることができます 。検証済みのプロジェクト、制約、デザイン、RTLをmedian.zipからダウンロードして解凍し、このチュートリアルを完了することができます。An FPGA-Based Implementation for Median Filtering Meeting the Real-Time Requirements of Automated Visual Inspection Systems紙は、2002年にポルトガルのリスボンで開催された10th Mediterranean Conference on Control and Automationで初めてこのデザインを発表しました。このデザインは、Free Software Foundationが公開しているGNU General Public Licenseの下で公開されています。

図 95. メディアン・フィルタリングで処理された画像の前後

メジアンフィルターのデザイン例

ダウンロードおよび抽出後、Medianフィルターデザイン例の.zipファイルには、Median_filter_design_example_<version>ディレクトリーの下に次のディレクトリが含まれます。

表 10.  メジアンフィルターのデザイン例
ファイル名 概要
ベース デザインおよびプロジェクトファイルのオリジナルバージョンが含まれています。
最終的 すべてのRTL最適化が行われたデザインおよびプロジェクトファイルの最終バージョンが含まれています。
fpga-median.ORIGINAL Medianフィルターのオリジナルのオープンソースバージョンと関連する研究論文が含まれています。
Step_1 Fast Forward最適化ステップ1のインクリメンタルRTLデザイン変更とプロジェクトファイル。
Step_2 Fast Forward最適化ステップ2のインクリメンタルRTLデザイン変更とプロジェクトファイル。

この実習は以下のステップで構成されています。

  1. ステップ1：基本デザインのコンパイル
    以下の手順に従って、中央値プロジェクトの基本デザインをコンパイルします。
  2. ステップ2：パイプライン・ステージを追加し、非同期リセットを削除する
    この最初の最適化ステップでは、Fast Forwardが提案するデザインロケーションに5レベルのパイプライン・レジスターを追加し、デザインモジュールに存在する非同期リセットを削除します。 ALM間の相互接続にパイプライン・ステージを追加すると、長いルーティング遅延の一部がなくなります。この最適化ステップにより、fMAXのパフォーマンスがFast Forwardが推定するレベルまで向上します。
  3. ステップ3：パイプライン・ステージを追加して、すべての非同期リセットを削除する
    Fast Forward Timing Closure Recommendationsは、リタイミング中に追加の最適化を有効にするために行うことができるさらなる変更を提案しています。Optimizations Analyzedタブでは、 分析する特定のレジスターをレポートして、修正することができます。レポートには、 state_machine.vに最適化を制限する非同期リセットがまだ含まれていることが示されています。 state_machine.vの残りの非同期リセットを削除し、パイプライン・ステージを追加するには、次の手順に従います。
  4. ステップ4：ショートパスとロングパスの条件を最適化する
    非同期レジスターを削除し、パイプライン・ステージを追加した後、高速転送の詳細レポートは、ショートパスとロングパスの条件がさらなる最適化を制限することを示唆しています。この例では、最長パスがこの特定のクロックドメインのfMAXを制限します。パフォーマンスを向上させるには、次の手順に従って、このクロックドメインの最長パスの長さを短くします。
レベル 2 の表題