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嵌入式FPGA架构参数化描述框架及多目标QoR架构探索

周婧 张盛兵 陈雷 冯涵旭 王硕 田春生

周婧, 张盛兵, 陈雷, 冯涵旭, 王硕, 田春生. 嵌入式FPGA架构参数化描述框架及多目标QoR架构探索[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260609
引用本文: 周婧, 张盛兵, 陈雷, 冯涵旭, 王硕, 田春生. 嵌入式FPGA架构参数化描述框架及多目标QoR架构探索[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260609
ZHOU Jing, ZHANG Shengbing, CHEN Lei, FENG Hanxu, WANG Shuo, TIAN Chunsheng. A Parametric Architecture Description Framework for Embedded FPGAs and Multi-objective QoR-driven Architecture Exploration[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260609
Citation: ZHOU Jing, ZHANG Shengbing, CHEN Lei, FENG Hanxu, WANG Shuo, TIAN Chunsheng. A Parametric Architecture Description Framework for Embedded FPGAs and Multi-objective QoR-driven Architecture Exploration[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260609

嵌入式FPGA架构参数化描述框架及多目标QoR架构探索

doi: 10.11999/JEIT260609 cstr: 32379.14.JEIT260609
详细信息
    作者简介:

    周婧:女,高工,研究方向为FPGA以及嵌入式FPGA架构设计、FPGA EDA软件设计

    张盛兵:男,教授,研究方向为高性能计算体系结构、领域专用计算体系结构、集成电路设计

    陈雷:男,研究员,研究方向为人工智能算法、集成电路设计

    冯涵旭:男,工程师,研究方向为辐射效应、高可靠FPGA设计及应用

    王硕:男,研究员,研究方向为FPGA EDA软件设计、FPGA EDA算法

    田春生:男,高工,研究方向为FPGA EDA算法、高效布局布线算法

  • 中图分类号: TN47

A Parametric Architecture Description Framework for Embedded FPGAs and Multi-objective QoR-driven Architecture Exploration

  • 摘要: 相较于传统的货架FPGA,嵌入式FPGA的最大区别在于允许开发者根据特定应用的需求独立选择最合适的硬件架构参数(KN、互连拓扑等),这就使得架构空间探索不再仅仅是纯学术领域的研究方法,也是必须评估数十上百份架构文件并反复迭代选型的实际工程任务。现有的架构描述框架仍以手工编写架构文件与批处理脚本为主,每次参数调整都要在多份后端文件间逐处同步,难以支撑规模化的架构探索。针对此问题本文提出一种支持多后端架构文件统一描述的参数化架构描述框架,该框架将架构参数按独立性分为工艺常量、耦合参数与独立参数三层,各后端描述由独立的渲染函数自动派生。目前该框架已适配VPR、OpenFPGA、Yosys三路后端并成功扩展至COFFE,并已通过跨工具链全流程验证。依托该框架批量生成架构描述文件,提出基于参数扫描的架构探索方法,系统扫描了查找表(LUT)输入数K与簇规模N的取值组合,从面积、关键路径延迟及二者乘积三个维度衡量每种参数配置的质量结果。结果显示,面积与延迟在(K,N)参数的优化偏好上呈相反方向。还公开发布了一份涵盖5个应用域、包含同构与异构架构的Quality of Results (QoR)数据集,可作为eFPGA架构空间探索的公共标准测试集。
  • 图  1  HorizonArch框架在FPGA架构描述工具谱中的定位

    图  2  L1耦合参数联动传播路径

    图  3  主要类结构及组合关系

    图  4  构造算子 B 的构造律

    图  5  按应用域和设计规模的每个最优(K,N)取值电路汇总

    图  6  三个指标在 (K, N) 网格上的强度热图

    表  1  字段层次化模型

    层级判定标准典型例子修改入口
    L0工艺不变量工艺节点决定即固定r_minw、CLB/DSP绝对面积系数、金属层R/C工艺预设
    L1耦合参数单一参数变动引发跨字段联动$ K $、$ N $、tier、segment段长、$ {F}_{s} $、switch_block类型、$ {F}_{c} $构造算子B
    L2独立参数可独立取值features 列表项、架构名架构实例直接声明
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    表  2  架构描述框架的参数扩展能力

    粒度改动面修改示例
    G1YAML加条目追加BlackboxModel与params.*_modes模式条目双端口BRAM异构模块
    G2现有参数加取值数值参数追加取值,必要时扩展模板分支BRAM容量、DSP位宽
    G3加受约束枚举新增枚举白名单及对应模板分支进位链三种实现形式
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    表  3  三类架构编写方法的能力对比

    维度手工简单替换脚本本框架
    跨后端字段一致人工对齐在脚本内手写对齐逻辑单源声明,变换同步
    跨字段约束R1–R5人工保证不检查加载期校验
    新片段类型支持重写架构改脚本本身G1–G3的扩展层级
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    表  4  本文框架与已有开源架构工具的技术差异

    维度HorizonArch框架OpenFPGA[1]iFAR[16]FABulous[2]PRGA[3]
    主要产出HorizonArch+QoR数据集可综合fabric架构库+面积时序估计tile级fabric可组合fabric
    工具链支持3路核心工具链+COFFE扩展2路1路1路1路
    架构描述格式YAML+pydantic schema扩展XMLXML手工编辑CSV+模板Python DSL
    架构生成机制构造算子B +规则校验XML模板继承手工模板替换tile 级模板组装Python类继承
    扩展方式G1-G3三档扩展沿用XML模板继承XML手工修改改模板改Python类
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    表  5  基于HorizonArch框架的eFPGA DSE方法

    取值
    应用域crypto, comm, ctrl, dsp, ml
    基准电路64
    K4, 5, 6, 7, 8
    N4, 6, 8, 10
    异构tile组合LUT only, DSP, BRAM, DSP and BRAM both
    每案例扫描配置5 × 4 = 20 个 (K, N)对
    案例总数156
    VPR 配置VTR 8.0, $ L=4 $, $ \text{fc}\_\text{in=}0.15 $
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    表  6  三种QoR的 rel_range 分布

    指标均值中位数P90rel_range>100%占比
    CPD50.9%48.5%75.7%3.8%
    area675.1%740.1%935.6%98.1%
    ADP516.3%509.4%742.0%97.4%
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    表  7  默认配置策略的多指标对比

    默认配置CPD 平均偏离area 平均偏离ADP 平均偏离对应 metric 命中率
    随机选取19.7%234.4%174.8%
    K=4 N=447.9%0.6%5.8%ADP 67.9%
    K=8 N=105.9%673.2%487.0%CPD 30.8%
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出版历程
  • 修回日期:  2026-07-29
  • 录用日期:  2026-07-29
  • 网络出版日期:  2026-08-08

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