Towards Characterization of Modern FPGAs: A Case Study with Adders and MIPS CPU

가산기와 MIPS CPU 사례를 이용한 현대 FPGA의 특성연구

The FPGA-based emulation is an essential step in ASIC design for validation. For emulation with maximal frequency, it is crucial to understand the FPGA characteristics. This paper attempts to analyze the performance characteristics of the modern FPGAs from renowned vendors, Xilinx and Altera, with a case study utilizing various adders and MIPS CPU. Unlike the common wisdom, ripple-carry adder (RCA) does not utilize the inherent carry-chain inside FPGAs when structurally designed based on 1-bit adders. Thus, the RCA shows the inferior performance to the other types of adders in FPGAs. Our study also reveals that FPGAs from Xilinx exhibit different characteristics from the ones from Altera. That is, the prefix adder, which is optimized for speed in ASIC design, shows the poor performance on Xilinx devices, whereas it provides a comparable speed to the IP core on Altera devices. It suggests that error-prone manual change of the original design can be avoided on Altera devices if area is permitted. Experiments with MIPS CPU confirm the arguments.

ASIC설계에서 FPGA를 이용한 에뮬레이션은 설계 검증을 위한 필수 단계이다. ASIC으로 설계된 모델을 가능한 최대 동작주파수로 에뮬레이션하기 위해서는 FPGA의 특성을 이해해야 한다. 본 논문은 FPGA의 주요 제조사인 Xilinx와 Altera의 여러 디바이스에 다양한 가산기와 MIPS CPU를 포팅하여, 디자인 복잡도에 따른 현대 FPGA의 특성을 연구하였다. 실험 결과, 일반적인 통념과는 다르게 1-bit 가산기를 기반으로 디자인한 RCA는 FPGA 내부의 carry-chain을 활용하지 못했고, 그 결과 다른 타입의 가산기보다 낮은 성능을 보였다. 또한, 본 연구를 통해 Xilinx와 Altera 제조사 별 FPGA 특성에 확연한 차이가 있음을 확인하였다. 즉, 동작속도에 최적화하여 설계된 Prefix 가산기를 Xilinx 디바이스에 포팅했을 때 저조한 동작주파수를 보였으나, Altera 디바이스에서는 IP Core와 비슷한 성능을 보였다. 이는 Altera 디바이스에서는 FPGA의 면적만 허락한다면 ASIC에 최적화된 설계를 그대로 사용하여도 에뮬레이션 성능에 영향을 미치지 않음을 시사한다. MIPS CPU를 통한 실험은 이를 뒷받침한다.