Quartus® Prime にはコンパイル時間を短縮させるこんな方法があった

こんにちは。

マクニカでインテル® FPGA 製品の技術サポートをしているインテル・F・ハナコです。

インテル FPGA を開発中、ユーザーによっては Quartus® Prime のコンパイル実行を繰り返さなければならない場面があります。

コンパイルを何度も実行することへの一番のストレスは、やはり “コンパイル実行中の待ち時間” ではないでしょうか。
今回はそんなストレスから解放してくれるコンパイル時間を短縮させる方法をご紹介します。

通常のコンパイル・フロー

下図は、通常 Quartus® Prime が行うコンパイル・フローを示したものです。
主なプロセスは以下の4工程です。このうち、Analysis & Synthesis（論理合成）と Fitter（配置配線）がコンパイル実行時間の大半を占めます。

つまり、この工程の処理時間を短縮することが、コンパイルの総時間を短縮することにつながります。

コンパイル時間を短縮させる方法はこれだ！

Quartus® Prime には、主に以下3つのコンパイル・メソッドがあります。
いずれもコンパイルが完了したプロジェクトに対して、その後修正を加え再コンパイルを実施したときに効果を発揮します。

　1.　スマート・コンパイル（Smart Compilation）
2.　ラピッド・リコンパイル（Rapid Recompile）
　3.　インクリメンタル・コンパイル（Incremental Compilation）

これらのコンパイル時間の短縮効果は、（小）1　＜　2　＜　3（大）です。
ここでは、その中でも簡単に使えるスマート・コンパイル機能とラピッド・リコンパイル機能を取り上げます。

ハナコのつぶやき

3つ目の “インクリメンタル・コンパイル” は一番効果的ですが、ややテクニックを要します。そのため別のページでご案内します。下記をご覧ください。

⇒　FPGA デザインの一部だけを再コンパイルする方法
⇒　インクリメンタル・コンパイルを使ってみよう

これら機能の特徴は？

スマート・コンパイルとラピッド・リコンパイルの特徴をざっくりと下表に示します。

	スマート・コンパイル	ラピッド・リコンパイル
対象デバイス	Lite Edition および Standard Edition でサポートされているデバイス (Arria® 10, MAX® 10 を除く)	Stratix® 10, Stratix® V, Arria® 10, Arria® V, Cyclone® 10 GX, Cyclone® V
対応する Quartus® Primeのエディション	Lite Edition Standard Edition	Standard Edition（Arria® 10 を除く） Pro Edition (ver.20.3 以降では非推奨)
特徴	再実行の必要ないコンパイル項目（例えば、Analysis & Synthesis、Fitter など）をコンパイラーが自動で判断し、その工程をスキップする機能。デザイン全体が適用の対象。	一度論理合成と配置配線を終えた結果の情報を再利用して、小規模な設計変更を高速にコンパイル処理できるようにする機能。デザイン全体が適用の対象。
メリット	操作が簡単！工程がスキップされるので、コンパイル時間が短縮できる。	操作が簡単！前回のコンパイル結果を再利用するので、必要な部分のみを論理合成および配置配線する。デザイン変更が少ない場合、コンパイル時間を削減することができる。
デメリット	デザインを一部変更すると、前回の処理結果を再適用せず、（変更のない部分も含め）デザイン全体が再コンパイル（Analysis & Synthesis から再実行）される。	対象のデバイスが限定されている。 Lite Edition では実行できない。

各コンパイルの実行フロー例

スマート・コンパイルの場合

例えば、（事前にスマート・コンパイルのオプションは適用済みの状態で）既にコンパイルが完了した後に

ピンレイアウトを変更した
デバイスの型番が変更になった（ただしデバイス・ファミリーは同一）
(タイミングがメットできていないなどの理由で) 内部配置に影響するオプションを設定した

このようなときにスマート・コンパイルが適用されると、コンパイラーは下図の処理動作になります。
（※ Stratix® V, Arria® V, Cyclone® V の場合はラピッド・リコンパイルの活用を推奨します。）

ラピッド・リコンパイルの場合

[Stratix® V, Arria® V, Cyclone® V をターゲットにしたプロジェクトが対象]
例えば、既にコンパイルが完了した後に

小規模なデザイン修正があった（例: レジスタの追加）
新たに機能モジュールが追加された
ピンレイアウトを変更した
デバイスの型番が変更になった（ただしデバイス・ファミリーは同一）
(タイミングがメットできていないなどの理由で) 内部配置に影響するオプションを設定した
SignalTap® II ロジック・アナライザーを追加した、あるいはそのデバッグ条件を変更した

このようなときにラピッド・リコンパイルが適用できます。
下図は、デザインが修正された場合にラピッド・リコンパイルを適用した際の、コンパイラーの処理動作を表したものです。

その実行方法は？（スマート・コンパイル）

ものすごく簡単です！！
まず初回コンパイルの前に、オプションを設定します。
Assignments メニュー＞ Settings ＞ Compilation Process Settings カテゴリーを選択し、Use smart compilation オプション = On！

その後、Processing メニュー＞ Start Compilation でコンパイルをスタートします。

このときに実行されるコンパイルは、まだスマート・コンパイルではありません。

この回以降の再コンパイルをスマート・コンパイルで実行させるために、データベースを保存しながらコンパイルが行われます。（そのため若干処理時間がかかります。）
その後、レイアウト変更があったので再コンパイルが必要になりました。

Pin Planner でレイアウトを変更後、Processing メニュー＞ Start Compilation でコンパイルをスタートします。

この回のコンパイルが、まさに “スマート・コンパイル” になります！

なお、このオプションが適用されていても、再び論理合成が必要だと Quartus® Prime に判断された場合には自動的に Analysis & Synthesis が実行されます。実行状況や時間は、Tasks ウィンドウやコンパイル・レポートの Flow Elapsed Time で確認が可能です。

以上が、スマート・コンパイルの実行方法です。

その実行方法は？（ラピッド・リコンパイル）

こちらも、ものすごく簡単です！！
Processing メニュー＞ Start ＞ Start Rapid Recompile をクリック！
これだけでラピッド・リコンパイルの再コンパイルが実行されます。

実行状況や時間は、Tasks ウィンドウ（自動的に Rapid Recompile モードに表示が変わります。）やコンパイル・レポートの Flow Elapsed Time で確認が可能です。

デザイン規模や変更内容の状況にも依存しますが、合成前のHDLを変更する（推奨5%以下）場合にはコンパイル速度を最大3倍に、配置配線（フィッティング）後の SignalTap® II ロジック・アナライザーを使った信号解析での条件変更の場合には最大4倍に、高速化が期待できますよ。

以上が、ラピッド・リコンパイルの実行方法です。

ハナコのちょこっとポイント！

ここでお伝えしたい結論は、「ラピッド・リコンパイルを使うとき、基本的にはスマート・コンパイル機能は OFF にしましょう。」です。

今までラピッド・リコンパイルを実行していたのに、レイアウトを変更後につい通常のコンパイル（Processing メニュー＞ Start Compilation）を実行してしまうと以下のエラーになることがあります。

ID:14608 You have completed a Rapid Recompile incremental compilation. Please run the Rapid Recompile Fitter to re-iterate your Rapid Recompile incremental compilation, or run Analysis & Synthesis (quartus_map) to start a Full Compilation.

"スマート・コンパイル" と "ラピッド・リコンパイル" は、前回のコンパイル結果（データベース）に対する処理のアルゴリズムが異なるため、このようなエラーが発生してしまいます。

上記エラーの回避策は、Rapid Recompile Fitter を単独実行（右図参照）後に改めてラピッド・リコンパイルを実行します。

このエラーはあくまでも一例で、他にもデータベースの不適合により別のエラーが発生することもあります。
"基本的には" と書いたのは、Quartus® Prime の特性を理解しきちんとした手順を踏めば、エラーを回避できますし機能の併用も可能です。…が、私から言わせてもらえば（せっかくラピッド・リコンパイルを使っているのに）この2つのオプション併用はあまり意味がないですね～。

最後に

いかがですか、こんなに簡単な操作でコンパイル時間を短縮できるなんて、画期的だと思いませんか？
ぜひみなさんもお試しください！

Quartus® Prime にはコンパイル時間を短縮させる こんな方法があった