Thiết kế chạy “được” là một chuyện. Thiết kế chạy “nhanh”, “gọn” và “tối ưu” trên FPGA lại là một trình độ khác. Đây là lúc bạn bước vào nghệ thuật tối ưu hóa trong thiết kế phần cứng.

I. Vì sao cần tối ưu?

Khi bắt đầu, bạn có thể chỉ quan tâm làm sao cho mạch hoạt động đúng. Nhưng trong thực tế, nếu bạn làm sản phẩm thực hay thiết kế lớn, bạn sẽ gặp ngay các giới hạn:

• Thiết kế không đạt timing → lỗi hoặc giảm tốc độ
• Quá nhiều logic → không fit vào FPGA
• Tốn nhiều tài nguyên → không hiệu quả chi phí

Tối ưu hóa giúp thiết kế nhanh hơn, nhỏ hơn, tiêu thụ ít tài nguyên hơn.

II. Kỹ thuật 1 – Pipeline: Chia nhỏ để chạy nhanh

Pipeline là chia xử lý phức tạp thành nhiều giai đoạn tuần tự, mỗi giai đoạn thực hiện một phần công việc trong một chu kỳ clock.

Ví dụ: Tính y = (a + b) * (c - d):

Thay vì tính toàn bộ trong một chu kỳ:

assign y = (a + b) * (c - d); // Tổ hợp dài, chậm

Hãy chia làm 2 pipeline stage:

reg [15:0] sum, diff, prod;

always @(posedge clk) begin
  sum  <= a + b;
  diff <= c - d;
end

always @(posedge clk) begin
  prod <= sum * diff;
end

Lợi ích:

• Mỗi stage đơn giản → thời gian trễ (delay) nhỏ → đạt tốc độ clock cao hơn
• Dễ timing closure
• Có thể xử lý nhiều dữ liệu cùng lúc như “dây chuyền sản xuất”

III. Kỹ thuật 2 – Parallelism: Chạy đồng thời thay vì tuần tự

FPGA khác với CPU ở chỗ: nó có thể thực hiện nhiều khối logic đồng thời. Hãy tận dụng điều này để tăng tốc xử lý.

Ví dụ: Tính tổng của 4 số

Tuần tự:

always @(posedge clk) begin
  acc <= a + b + c + d;  // Cộng nối tiếp → trễ lớn
end

Song song:

reg [7:0] sum1, sum2, total;

always @(posedge clk) begin
  sum1 <= a + b;
  sum2 <= c + d;
end

always @(posedge clk) begin
  total <= sum1 + sum2;
end

Kết quả: nhanh hơn, vì phép cộng chỉ sâu 2 tầng thay vì 3.

IV. Kỹ thuật 3 – Dùng tài nguyên hiệu quả

Một số gợi ý:

1. Dùng DSP block

• FPGA thường có block chuyên dụng cho phép nhân, cộng
• Hãy sử dụng chúng thay vì tổng hợp logic thông thường

2. Dùng BRAM thay vì LUT

Khi cần lưu trữ nhiều bit (buffer, RAM…), hãy dùng block RAM (BRAM) thay vì tạo từ LUT

3. Sử dụng IP tối ưu

Các IP nhân, chia, FIFO thường được tối ưu để dùng ít tài nguyên và đạt tốc độ cao hơn viết tay

V. Kỹ thuật 4 – Resource sharing: Dùng chung phần cứng

Khi không cần tốc độ cao, bạn có thể chia sẻ phần cứng giữa các phép toán.

Ví dụ: Nếu bạn có 4 phép nhân nhưng chỉ cần tính mỗi chu kỳ 1 phép → hãy dùng một khối nhân duy nhất và điều khiển bằng FSM để tiết kiệm DSP block.

Có thể tham khảo thêm bài viết Resource sharing mà mình đã chia sẻ trước đây.

VI. Timing closure – Kẻ thù đáng gờm

Bạn sẽ thường gặp lỗi:

Slack: -0.2 ns → Timing violation

Nghĩa là thiết kế của bạn không chạy được ở tốc độ kỳ vọng. Khi đó:

Cách xử lý:

• Pipeline thêm stage
• Dùng max_fanout và set_multicycle_path để hỗ trợ trình tổng hợp
• Giảm tần số nếu không quá cần thiết

VII. Tối ưu hóa không có đúng – sai

• Có bài toán cần tốc độ (ví dụ xử lý gói mạng 100 Gbps) → ưu tiên song song hóa, pipeline sâu
• Có bài toán cần tiết kiệm tài nguyên → ưu tiên chia sẻ phần cứng
• Có bài toán cần xử lý real-time nhưng nhỏ → ưu tiên thiết kế đơn giản, ngắn gọn

Hiểu trade-off sẽ giúp bạn chọn chiến lược tối ưu hóa phù hợp.

VIII. Tổng kết

Tối ưu thiết kế FPGA nghe có vẻ “cao siêu”, nhưng thật ra đó là hành trình rất thú vị – nơi bạn học cách “nói chuyện” với phần cứng sao cho thông minh hơn. Dù là pipelining để tăng tốc độ, hay parallelism để xử lý nhiều việc cùng lúc, mỗi kỹ thuật đều giúp bạn khai thác tối đa sức mạnh của FPGA.

Điều quan trọng là bạn không cần phải làm mọi thứ một cách hoàn hảo ngay từ đầu. Cứ bắt đầu từ những tối ưu nhỏ, hiểu vì sao nó hiệu quả, rồi dần dần bạn sẽ thấy mình "nâng cấp tư duy" phần cứng từng bước một. Và khi nhìn thấy thiết kế của mình chạy nhanh hơn, gọn hơn, tiêu tốn ít tài nguyên hơn – cảm giác đó thật sự rất “đã”!

Chúc bạn tiếp tục giữ lửa đam mê với FPGA, và đừng ngại thử nghiệm những ý tưởng táo bạo trong các thiết kế tiếp theo nhé!