空间和防务领域，既是FPGA最擅长的应用市场，最难以被ASIC替代的细分行业。
按照欧空局十年前发布的IC设计趋势报告，包括科学探测、星际探索、对地观测、通信导航等在内的数据处理功能，FPGA不可或缺。
“交通工具”偏执狂埃隆·马斯克在上月公开发布其火星计划，并预期20年内实现星际移民，如能成行，为人类率先开启探测之旅的系列火星车，同样居功甚伟。
从最早的探路者号(Mars PathFinder)，到国内近年的祝融号，数十年来持续进行中。
英雄人物的出现，更多体现在加速既有进程。
火星车项目作为FPGA在航天领域开山之作，也是最著名的应用案例之一，自然出现在赛灵思为庆祝公司成立25周年时特别出版的专刊。
当期所选20个最具代表性的客户创新案例，航天领域占有三席。
从关键组件到主处理器
Source: Customer Innovation, Xcell Journal 2010
2004年发射的火星车，再加上2009年后在系列重大航天任务，屡立战功的空间高性能计算机SpaceCube。
对可靠性、安全性要求极高的航天工程应用，也可能是除了EDA硬件辅助行业之外，FPGA最能打的细分行业。
后者的IC物理原型验证服务，高性能FPGA更是神龙教主，一统江湖。
目前所有叫得上名号的EDA企业，都有以赛灵思FPGA提供的仿真加速服务。
2019年被新思科技收购的DINI公司，当期榜上有名。
Source: Customer Innovation, Xcell Journal 2010
尽管一直走在异构计算、硬件加速最前沿，代表FPGA最先进调试验证能力，但长期以来，EDA硬件辅助验证的两大行业产品，长期泾渭分明。
2015年，Dini公司研发第一款最基础可观测工具DN Readbacker；与次年新思科技推出HAPS80时高调推出的全局状态可视化GSV(Global State Visibility)，功能类似。
技术上源于赛灵思。
都是器件厂商为旗下芯片配提供的数据回读捕获技术，即原有Readback功能的别名或者二次创新开发。
简单说，就是不用加探针，就能看全部信号。
同样的可观测能力(Debugging&Visibility)，早在2003年时，以Zebu为代表的现代硬件仿真平台，得到成熟应用。
被称为动态探针Dynamic Probe，与软件行业在开发中用来排查和调试性能问题时采用的动态追踪Dynamic Tracing类似。
区别于芯片厂商提供片上逻辑分析仪(赛灵思ILA等)的静态探针Static Probe，这是所有工程师熟练应用的板级调试手段，也是所有器件厂商为用户提供的必备工具。
如果寻源的话，所谓动态探针技术，甚至可追溯到行业鼻祖Quickturn公司。
其在1988年推出Rapid Prototype Machine，用赛灵思XC3090商用FPGA构建的行业开山之作。也是芯片设计行业进入到超大规模IC时代后，第一款真正意义上的现代仿真加速器。
EDA硬件辅助验证仿真加速的三十年进化史
Source: Hardware Emulation-Three Decades of Evolution, Rizzatti, 2015
对设计进行在线调试的芯片可观测能力，现在成为各大EDA厂商，为用户提供硬件辅助验证服务的标配。
硬件仿真(Emulation)与IC物理原型验证，作为ASIC设计硅前验证流程中两大必经环节，各有专长，但彼此之间就像是楚河汉界。
2021年，EDA巨头更进一步，新思科技推出首款融合两大仿真加速功能的Zebu EP1，既是传统的Emulation，也可切换到Prototype。
2022年，国内芯华章也推出旗下的HuaPro P2E，产品设计理念与之类似。
尽管FPGA应用设计和ASIC有着相同的设计开发流程，时至今日，EDA硬件辅助验证工具，仍主要只面向ASIC设计提供服务。
始终与FPGA应用设计距离遥远。
FPGA和ASIC拥有同样的调试验证流程
从EDA供应商角度，也有些大炮打蚊子的意思，杀鸡焉用牛刀。
具体到实际应用层面，每一代最新推出的两大行业工具，都主要使用赛灵思最新、规模最大的高端器件。
配套的调试验证软件，只与特定型号的器件绑定使用。
从终端用户视角，即便抛开价格因素，也不太用不上。
既然ASIC芯片设计的前端验证，与FPGA应用开发的在线调试，都是直接在FPGA硬件上完成，那为什么同样的技术，后者不能享有呢？
在大多数场景下，更快，总是更好的。
痛感神经发达的NASA
EDA工具是降低经验门槛，减少不确定性风险利器。
既有的行业惯性思维中，高大上的电子设计自动化工具，为用户提供的“发现问题，影响域分析，以及改进建议”的三板斧。
着力在设计源码和网表级别。
即国内所称的可编程逻辑器件软件，如7年前正式实施的测试国标GB/T 33783-2017等。
虽然FPGA能够像软件一样“编程”使用，甚至可以对电路功能进行在线升级和更新（如赛灵思的动态功能交换DFX等)。但作为芯片本身，其内部信号完全是不可见的。
以01二进制数据集合而成的位流，更是用户设计成果体现，承载了定制电路的若干创新。
既是数字逻辑世界(RTL&Netlist)和芯片物理世界(Hardware)的之间分界线，也是解决复杂系统耦合关系的切入点。
FPGA应用开发过程中的在线调试，经验丰富的硬件工程师，通常能熟练驾驭，所以很难成为症状明显的所谓“行业痛点”。
即便有问题，重新编程再次配置就行了，不会像芯片设计那样，必须面对成本高昂的“流片失败”风险。
翻译过来，大概是FPGA不需要像ASIC那样“严格”仿真过程。
FPGA应用开发和ASIC芯片设计，毕竟是不同行业的两码事。
像硬件仿真平台Zebu，帮助用户尽可能实现Zero Bug，在设计阶段就追求零缺陷目标，对于FPGA应用设计而言，就像过高精度追求。
只有像微软这样的科技巨擘，因为需要考虑到FPGA系统的可用性问题，才会偶有痛感。但FPGA在数据中心的加速计算，又没有像预期那样成为绝对主流。
Source: Requirements for Deploying and Developing for FPGAs, Microsoft research, FPGA16
在计算机领域，不管是设计(Dev)还是运维(Ops)，如果某个系统内部是“不可见”，那么就距离崩溃不远了。
对于FPGA行业更普遍的观点是，即便开发阶段可能隐藏的设计Bug，就算逃逸到部署阶段，影响了系统可靠性问题，乃至损害可用性，也似乎更多归结为只是后期的运维问题。
类似理念和观点，不乏EDA行业大佬。
2015年，在业界著名的设计验证DVCON研讨会，DINI Group公司创始人在其与会的专题演讲中，将两者之间的关系，更像是同一套“设计方法学”上的两个分支。
Source: FPGA Debug Using Configuration Readback, DVCON 2015, Mike Dini
FPGA应用开发的验证难题，并不等同于ASIC设计的调试困境。
但对于NASA这样的机构用户，现有的常规调试验证手段，远远不够。想要真正确保FPGA应用开发质量，得像ASIC硅前验证那样严格。
尽可能与“流片”一样可靠，才能真正保障应用开发的设计质量。
作为空间系统中的关键组件，FPGA芯片自身的技术进步，其容量规模、复杂度持续增长，对复杂的软/硬件系统进行验证，变得非常耗时。
已经与ASIC验证要求近乎无差别。
2008年时，NASA的火星探测器平台(MER,Mars Exploration Rovers)，使用的高可靠FPGA，硬件规模仅为32K 等效逻辑门；
但即便对于一个典型的FPGA应用设计，验证时间可能也长达3个月。
载荷(MSL, Mars Science Laboratory)所使用的高性能FPGA，硬件容量已经更是达到200万门，只有创新的EDA工具，才能真正提升设计开发效率。
更快，更高效，才能更好确认设计成果。
既然现有的EDA硬件辅助服务指望不上，那就从实际工程中所感受的“痛点”出发，启动FVAX(FPGA Verification Accelerator)项目。
加速设计左移，节省成本支出
Source: MAPLD 2008, Jane Oh and Gary Burke
如果说软件仿真就像画素描，板级调试验证则有着“3D克隆”效果。硬件电路在FPGA板卡上全速运行，与连接的传感器、作动器直接交互。
软件仿真作为FPGA调试验证的入口，可观测能力最好，通常能够解决大部分显而易见的设计问题。
但运行速度很慢，很难实现完整的功能覆盖、代码覆盖。
测试程序的开发、与FPGA应用设计可能由同一个工程师完成，手工创建的仿真测试程序本身可能存在问题。
并且在仿真过程中，很难对系统与外部环境的实时交互，以及异步处理行为进行建模。
上述诸多因素，都可能导致那些隐藏的设计错误，从仿真阶段逃逸到板级调试阶段，将不可避免。
在板级调试阶段，工程师通常使用芯片厂商提供的免费内嵌式逻辑分析仪，比如赛灵思当时的ChipScope，获得有限的信号观测能力，或者把目标信号引到未使用的芯片管脚上，用示波器/逻辑分析仪进行观测。
现有方法，使那些只在特定运行情况或者长时间运行后出现的问题，很难通过设置触发条件的方式，重现故障场景。
尽管EDA硬件辅助验证行业的先进调试验证软件，使用户能够获得良好的信号可观测能力和可控性。
但是，不支持特定型号之外的其它FPGA器件，更不支持用户自己的定制板卡和产品原型。
虽然很先进，但是用不上。
想高效验证，工具得先行。
那就再造适合FPGA应用开发的创新工具，可应用于任何FPGA，任意板卡的调试验证工具。
Source: MAPLD 2008, Jane Oh and Gary Burke
在NASA看来，实现预期的验证加速，主要取决于两个关键要素：
提升FPGA芯片内部节点的可观测能力
支持对目标信号进行强制赋值，从而快速设置错误触发条件。
能够支持任意FPGA芯片。
可通过标准的测试接口，适配任意FPGA板卡。
具备对FPGA内部信号的全面可观测能力，还提供便捷的用户接口，观察实际运行状态是否与预期相符；
并且，就像软件的单步调试一样，能够看到电路的在线运行过程，加快调试工作进程。
就像EDA硬件辅助验证行业两大工具的复合体，既有高性能原型验证系统的精髓，也有更高端硬件仿真的影子。
Source: MAPLD 2008, Jane Oh and Gary Burke
如果抛开FPGA硬件容量大小，NASA的这一步，比擅长于SoC验证的硬件仿真，与2003年EVE公司推出第一款产品相比，也只是稍晚了5年。
仅从调试验证软件的先进程度，比EDA厂商的原型验证服务领先8年。
从同行的角度，比空客的航天和防务公司，领先了大约15年。
在欧空局FPGA专题研讨会的公开信息，2023年直接采用西门子的原型验证平台，对多FPGAs的复杂系统进行仿真加速验证。
效率提升了60倍。
此前2016年，航天领域排名第一的FPGA厂商，也推出全新调试工具。
Source: Spatial Debug & Debug without re-programming in Microsemi FPGAs, 2016
同样是FPGA运行时的信号可观测能力(Observability)，以及运行的强制赋值在线改写01数值(Controllability)。
与EDA硬件辅助验证服务，从数年前的高端专用，到现在已成基本配置的FPGA可观测性能力(Full Visibility&Debugging)，异曲同工。
一个在赛灵思的FPGA完成，而Microsemi的调试工具，则是专用于旗下芯片。
空客航天和防务的部分FPGA型号
Source: FPGA development in Airbus products，2023
从2021年后，该工具更新迭代速度明显加快，从最初的只适用SmartFusion2，现在已扩展到支持旗下的全系列FPGA。
为包括航天行业在内的所有用户，提供调试验证服务。
相当于FVAX项目平移的“产品化”落地。
行运一条龙
NASA启动的仿真加速项目，就像是FPGA高可靠设计在原有的测试验证全流程的强化，补上了关键一环。
对以赛灵思为代表的高性能器件，更是有着画龙点睛的效果。
1998年，人类社会从后工业进入信息化时代。同年赛灵思公司正式推出其首款Virtex系列高性能芯片，从此开启登上行业龙头的进阶之旅。
市场上的大获成功，除了表现在EDA硬件辅助验证行业，仿真加速市场应用一枝独秀之外，也开始在航天市场发力。
稳居行业第二。
Source: Xilinx Analyst Day，2017
所有的数字芯片，都会存在软错误或软失效。
对于高性能FPGA芯片，由配置存储器决定电路结构及功能的硬件编程方式，还需要额外关注配置存储器中的0/1数据，即Configuration Bits。
因受单粒子效应影响被动发生改变，可能引发的系统异常。
恶劣运行环境的空间应用，如果处理不当，就会伤筋动骨。
Source: MAPLD 2003, Gary Swift etal.
对于器件厂商，为用户提供SEU Controller支持，成为基本配置。
2000年，为了更好应对器件在空间环境下的运行使用，赛灵思联合NASA推进器试验室JPL，建立单粒子效应联盟(Single-Event Effects Consortium, SEEC）。
两年后，将其进一步升级为辐照测试联盟(Xilinx Radiation Test Consortium，XRTC)，面向境内成员单位开放的商业化组织，共同研发和使用大型故障注入测试设备(Fault Injection Infrastructure)。
有了这样的大杀器作保障，从此开启SRAM FPGA在航天领域的开挂之旅。
大型故障注入测试设备，成为诸多重大航天工程项目的基石。
这就包括曾入选赛灵思客户创新案例，屡获NASA创新大奖的空间高性能计算机SpaceCube。
通过在系统架构设计、软件设计层面进行加固，使得普通的商用级FPGA，也能胜任空间任务。
包括2009年使用商用级FPGA，提供关键交汇对接信号，完成哈勃望远镜的维修任务。
如果使用传统的航天专用抗辐射计算机，完成同样的工作，需要多达25台。
即便在“不计成本保可靠性”的航天1.0时代，在满足成本和可靠性要求的同时，提升数据处理效能。
FPGA空间高性能计算机的成名作
从2003年火星车项目，XRTC开始扬名立万，现已成为诸多重大航天工程项目的基石。
测试验证的FPGA芯片类型，除了宇航级，也包括商用级。
空间高性能计算机使用的FPGA芯片型号
来源:根据公开资料汇总整理，复及科技，2020
XRTC的两大核心组件，提供SEU仿真能力的配置位流故障注入工具，以及用于破坏性测试的辐照试验模块。
使命定位为帮助境内联盟成员更高效进行系统调试，解决FPGA应用设计和产品开发中的问题。
毕竟，不管是作为主处理器，还是核心关键组件使用，FPGA是出了名的设计开发难度大，对大容量芯片的测试验证难度及所需工作量，随之同步增加。
再加上软件在内，软硬件紧密耦合的复杂系统，更是难上加难。
发挥的经济价值包括：
分摊昂贵的测试成本
系列FPGA待测器件往往异常复杂，特别是军用Q系列、宇航级QR，代价高昂
为不同领域的联盟成员引入专家和培养人才
随着大容量、高性能FPGA设计更为复杂，测试难度随之增大
为航天航空、防务领域提供应用设计和工程实现等支持
帮助客户应用最佳实践，更高效地调试，解决问题并加强客户对 Xilinx 技术的理解
赛灵思公司在2011年发布的年度质量报告显示，该设备已服务的境内联盟成员单位数量，超过100家。
尽管功能强大，但对包括像雷神公司这样不差钱的终端用户，还是过于厚重。
特别是作为行业黄金法则的辐照试验，价格昂贵不说，每次需要花费数月进行准备。
一旦失败，付出的时间成本、经济成本不菲。
由此以XRTC作为参考基石，研发更轻量的故障注入测试软件。
在工程实用性方面，并非作为项目性质的概念验证框架。而是既能服务日常的应用设计开发，也能与辐照实验无缝融合。
Source: Patrick Fleming and Bill Rowe，Raython Technologies，2020
目的是提供解决方案，轻量化，成本更低。
具有快速，高效，且测试粒度更精细等特点。
并且，与其它行业不同，由器件厂商提供给用户使用的内嵌测试电路（比如，赛灵思SEU Mitigation IP核），在空间应用场景，用户大多是采用外部监测和刷新(Scrubbers)。
所以轻量便捷的故障注入测试软件，对用户待测FPGA设计的性能、资源使用不会有任何影响。
在应用设计过程中，通过故障注入测试，减少“过度防护”带来的性能损失，成本开销，在FPGA可靠性、运行效能、设计成本三者之间进行权衡。
使用更方便，并且成本更低。
Source: Using Fault Injection for Characterization of SEU Mitigated FPGA Designs, Raython, 2020
从大型专用设备，昂贵复杂的硬件平台，向轻量级进化，已经渐成趋势。
雷神技术的故障注入软件，与欧空局推荐使用的FT-UNSHADES2相比，更进一步。
只提供软件，跨硬件平台实施的通用方案。
FT-UNSHADES2与美国的大型专用设备XRTC相比，除了更小型轻量之外，还额外扩展了故障注入的位流数据类型。
Source: Hipólito,FT-Unshades2 overview,2019
从最早的仿真加速功能起步，主要服务航天ASIC设计制造的前端验证。
增加FPGA应用开发专用的SEU测试功能，即FPGA模式。
前者是2008年美国航天航空管理局(NASA)FVAX项目的欧洲本地化，后者则是XRTC设备的欧洲平替版。
也可以将其视为EDA硬件辅助验证最早的跨界服务。
FPGA作为平民版ASIC，既是创新，也是应有之义。
流水不争先
航天高端俱乐部，迎来新成员。
商业航天来临，包括低轨卫星组群概念等，为整个FPGA应用市场注入全新的增长动力。
作为电子设备中的关键组件，FPGA芯片能够快速定制为用户所需的功能，抛开硬件规模大小，芯片出货量最大的莱迪思，2022年宣布进军航天市场。
在赛灵思和Microsemi两强中开创新市场。
相比ASIC芯片，FPGA在空间电子设备中的占比逐年增加。以欧空局的哨兵2号卫星为例，使用的249个芯片中，就有149片是FPGA，占比超过50%。
Source: ESA strategy ASIC & FPGA for space,2013
莱迪思目标是商业航天，特别是低轨卫星的数据处理。
选择的合作伙伴大有来头，前身是英国第三大防务公司Cobham的先进航天电子部门CAES，2023年被PE资本收购并以FrontGrade品牌开展业务。
将中小规模FPGA在空间市场机遇的定位为，目前市场上两强的大芯片要么过“大”，显得“浪费”；小芯片的性能，又太拉垮。
从用户成本角度看，那些“不大不小刚刚好”FPGA，正合适。
除了性能因素，尚需综合考虑面积(Size)、重量(Weight)、功耗(Power)和成本(Cost)，即SWaP-C。
Next-Gen FPGA for Space, David Meyouhas, 2023
FrontGrade的股东虽然不为大众熟知，Veritas资本作为全球最大的政府服务基金，主要投资于那些为政府和商业客户提供关键产品、软件和服务的科技公司。
从2012年以来，已经实现20倍的增长，目前管理400亿美元资产。
在大多数投资机构认为很难接受和融入、认为“难搞”的政府环境，深耕数十年，即便经历了互联网、移动互联网时代的投资繁荣期，始终未被诱惑，越出投资边界。
其创始人也被高盛CEO称为“低调，靠实干产生了巨大的影响力”。
这至少已经是Veritas资本涉及的第二家与FPGA业务相关的公司了。
2015年时，收购拥有航天与防务、以及政府业务的Alion公司。三年后，又以该公司为主体，收购MacB公司，后者聚焦政府和防务领域信息安全，也是美国“可信微电子计划”的主要参与者之一。
全球独有的FPGA位流安全解决方案，其中也包括航天领域单粒子效应的测试验证。
与MacB公司的位流分析工具，在空间应用服务，占比较小不同。
FrontGrade的航天器件可靠性业务，几乎参与了欧美所有重要的航天工程，包括1969年阿波罗11号以来的每一次载人航天任务。
莱迪思也成为继赛灵思、Microsemi两大厂商之后，FrontGrade合作的第三家FPGA厂商。
软件和EDA巨头新思合作，硬件有行业元老加持，谋定而动，对空间市场前景抱以厚望。
从芯片厂商的视角，在器件架构、制造工艺上进行加固，在FPGA的整个应用生命周期中，只是起点。
用户使用EDA开发软件，在硬件设计上通过多模冗余以及抗辐加固手段，如ECC、CRC等，以尽可能实现预期的可靠性和可用性需求，更多着力在设计流程。
从终端用户的角度，对于包括莱迪思在内的新进入者来说，至少从赛灵思既有的成功历程，可能还不够。
“Trust, But Verify”,可以信任，但需要验证,是美国前总统里根在1987年时，对美苏两个超级大国之间竞合关系的高度概括。
对于FPGA的功能安全挑战，包括空间的恶劣运行场景，同样适用。
按照赛灵思公司从1998年以来的成功实践，即便芯片在器件层面可靠性只是差强人意，但如果能够在短时间内修复，仍可能达到预期设计目标。
2023年10月11日，在大盘微幅上涨，紫光国微和复旦微两家涉军题材的FPGA公司，反而逆势下跌，与其它军工股一道回调。
当天全网乱飞的“小作文”中，就包含“电子产品经分级评估后使用，没必要用军用级的就改用消费级”之类的市场传闻。
从昂贵的专用，到更具性价比的通用，均是成本因素。
既有直接使用XC4VFX60 FPGA打造的空间高性能计算机(SpaceCube)，也有性价比商用现货Spartan6，被欧洲巨头空客的航天和防务部门用作空间产品的关键组件。
如果要找一个对FPGA功能安全需求，与空间应用最接近的行业作为平替备选的话，汽车电子无疑将排名居前。
进入到智能汽车时代，后者作为众多FPGA厂商的芯战场。
那么在商业航天快速推进的今天，空间会成为应许之地吗？
对于关键且重要的行业用户，需要做的是更经济易用的调试验证。
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参考资料：