如何解決大芯片的驗證痛點

隨著后摩爾時代的到來， AI、5G、自動駕駛等眾多熱門應用不斷涌現(xiàn)，芯片規(guī)模呈指數(shù)級增長，十億門甚至幾十億門的芯片設計比比皆是，芯片規(guī)模越大、工藝節(jié)點越高，流片成本也是水漲船高。為了提高流片成功率，EDA驗證成為高端芯片設計必不可少的環(huán)節(jié)，貫穿從設計到量產(chǎn)的全流程。驗證在整個芯片開發(fā)過程中，投入時間最長、耗費資源最多，也面臨著諸多技術挑戰(zhàn)。如何解決大芯片的驗證痛點，成為芯片設計公司的關注焦點。

一、EDA驗證為何至關重要

如今芯片設計軟件已走過了60多年的浩浩蕩蕩發(fā)展史，其過程是從輔助繪圖CAD，到能夠仿真驗證的CAE階段，再到模塊化的自動化工具EDA。EDA作為集成電路設計的基礎工具，隨著大規(guī)模集成電路、計算機和電子系統(tǒng)設計技術的不斷發(fā)展，發(fā)揮了至關重要的作用，已經(jīng)從輔助性技術成為了芯片產(chǎn)業(yè)的核心支柱技術之一，是IC設計最上游、技術壁壘最高的部分。沒有EDA軟件的支持，芯片的設計成本將幾十上百倍地增加。

根據(jù)應用場景的不同，EDA工具的使用主要分為設計、驗證、封裝、制造等幾大類，其中驗證（Verification）在EDA工具中覆蓋從前端邏輯設計、到后端物理設計、最終制造量產(chǎn)的整個環(huán)節(jié)，隨著芯片設計成本越來越高昂，以及集成度的提高，復雜性也在大幅提升，通過驗證發(fā)現(xiàn)所有的設計缺陷和錯誤已命系成敗，驗證EDA工具已成為責任擔當。

數(shù)據(jù)來源：IBS, Design Activities & Strategic Implications, July 2018

從驗證來看，EDA軟件非常復雜，技術壁壘也很高，最重要的是不僅要開發(fā)出工具，而且一定要不斷迭代，要有生態(tài)和客戶的支持，才能形成閉環(huán)。盡管國際三大巨頭經(jīng)過多年的積累，在驗證市場已有相應的成熟產(chǎn)品，但如果想進一步創(chuàng)新和迭代，則必須要考慮向前兼容，這無疑是一個沉重的歷史包袱。這也促成了中國在驗證EDA領域破局的機會。

二、大芯片有哪些驗證痛點

大芯片一般指大型SoC芯片，包含AI engine、CPU、GPU等，多使用12nm以下先進制程，應用于機器學習、自動駕駛、圖像識別、自然語言處理、數(shù)據(jù)中心等領域。對大芯片的驗證，是一項復雜且具有挑戰(zhàn)的任務，主要痛點體現(xiàn)在如下四個方面。

第一，驗證工具需要支持足夠大的芯片設計容量。大芯片的流片成本居高不下，流片失敗的損失難以估量，因此驗證工具需要與時俱進，能夠靈活堆疊，從而支持超大規(guī)模的芯片設計，并且保障正確性、可靠性。

第二，驗證時間需要盡可能縮短。有些驗證工具的自動化程度較低，部分流程需要手動干預，這將耗費工程師的精力，影響芯片上市時間。比如，在原型驗證方面，因芯片設計過大，需要進行分割后才能驗證，傳統(tǒng)方法是采用手動分割，既費時費力，又極易出錯，自動、智能的分割方法及工具是必然趨勢。

第三，需要高效的調試工具。一旦出現(xiàn)問題，需要盡快找到設計中的問題點進行調試，實現(xiàn)最快的迭代速度。面對復雜芯片，有些驗證平臺的觀測性和調試性較差，影響驗證效率。此外，調試工具在迭代過程中，還要不斷引入方法學和流程的創(chuàng)新，不僅支持功能的調試，還應拓展至功耗、覆蓋率、安全等方面的調試；不僅要支持不同設計層級如RTL和Gate級的需求，還要支持事務級和系統(tǒng)級的驗證調試。

第四，流片前的驗證算力峰值需求如何解決。IC企業(yè)流片前存在3-6個月的算力峰值需求，芯片驗證需要大內(nèi)存、高主頻的算力以及高性能存儲等。如果本地搭建，會耗費大量人力、物力、財力，還會存在計算、存儲等硬件資源的限制，加上耗時的采購與部署流程，導致驗證工程師難以在預定上市時間內(nèi)完成所有期望的作業(yè)。

三、FPGA原型驗證是大芯片驗證的首選方法

面臨這些痛點，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）原型驗證已發(fā)展成為芯片公司首選的驗證方法。FPGA原型驗證，是基于FPGA的一種芯片功能驗證方式。它利用了FPGA可以多次擦寫的特性，在芯片RTL代碼開發(fā)的過程中，將RTL代碼綜合到FPGA上來做芯片的功能驗證。其目的是在芯片流片之前，為芯片開發(fā)團隊提供一個可以反復迭代的邏輯驗證平臺。在芯片設計定型之后，流片回片之前，為軟件開發(fā)團隊提供一個可以提前開發(fā)軟件功能的硬件環(huán)境，縮短芯片回片之后產(chǎn)品的上市時間。這個驗證環(huán)境能夠讓芯片驗證與軟件驗證并行，確保芯片軟硬件功能在真實應用場景中準確無誤。

FPGA通過級聯(lián)，即可輕松實現(xiàn)大規(guī)模的芯片驗證；并且運行速度高，特別適合系統(tǒng)級驗證。再進一步通過級聯(lián)數(shù)臺FPGA原型驗證仿真器，即可搭建EDA云數(shù)據(jù)中心，通過云端彈性算力，滿足IC企業(yè)峰值算力需求，并能有效降低企業(yè)的IT投入和運維成本，提高芯片設計和驗證的效率和質量，還可以實現(xiàn)跨地域、跨平臺、跨設備的協(xié)同工作。

四、相比其它驗證手段，F(xiàn)PGA原型驗證有何優(yōu)勢

現(xiàn)代SoC芯片是一個軟硬件協(xié)同運行的系統(tǒng)。上面有復雜的軟件運行，和芯片硬件共同實現(xiàn)各種功能。與芯片協(xié)同工作的軟件系統(tǒng)，其設計、開發(fā)和驗證工作需要和芯片設計驗證工作同步展開。這樣才能保證芯片功能正確，降低芯片流片失敗的風險，縮短產(chǎn)品的上市周期。

為了保證芯片功能正確，在芯片RTL代碼開發(fā)之后，需要經(jīng)過一系列的驗證流程。常見的數(shù)字芯片驗證手段，包括邏輯功能仿真、形式化驗證、硬件仿真和FPGA原型驗證等。

這幾種常見的數(shù)字芯片驗證手段中，F(xiàn)PGA原型驗證技術是最適合芯片軟硬件協(xié)同功能的驗證技術之一。FPGA原型驗證平臺可以提供調試芯片軟件必要的真實物理接口和硬件環(huán)境。這是邏輯功能仿真和形式化驗證無法提供的。相比硬件加速器，F(xiàn)PGA原型驗證平臺的軟件運行速度快一個數(shù)量級，很大程度縮短了軟件運行時間和驗證迭代的周期，優(yōu)化接口邏輯運行頻率可以使之對接真實設備，同時也使得軟硬件開發(fā)驗證并行成為可能。在芯片驗證流程中，F(xiàn)PGA原型驗證技術是軟硬件協(xié)同功能驗證的必備解決方案，具有顯著的不可替代性。

因此，F(xiàn)PGA原型驗證技術，作為主流且成熟的芯片驗證方法，已成為數(shù)字芯片公司不可或缺的驗證工具。

五、合見工軟數(shù)字驗證全流程及新一代時序驅動FPGA原型驗證系統(tǒng)UV APS

上海合見工業(yè)軟件集團有限公司（簡稱“合見工軟”）作為自主創(chuàng)新的高性能工業(yè)軟件及解決方案提供商，核心是數(shù)字芯片驗證的全流程支持，實現(xiàn)從點到面的突破。合見工軟現(xiàn)已推出完整的數(shù)字芯片驗證全流程工具，包括：商用級別邏輯仿真器UVS，時序驅動的高性能原型驗證系統(tǒng)UV APS、數(shù)字功能仿真調試工具UVD、大規(guī)模功能驗證回歸測試管理平臺VPS、即插即用的混合原型系統(tǒng)級IP驗證方案HIPK。同時合見工軟還對上海阿卡思、孤波科技進行戰(zhàn)略投資，補充形式化驗證工具和半導體自動化測試工具為全流程驗證平臺。

其中，2022年6月發(fā)布的新一代時序驅動FPGA原型驗證系統(tǒng)UniVista Advanced Prototyping System（UV APS）為合見工軟旗艦產(chǎn)品。自產(chǎn)品面世以來，已經(jīng)在高性能計算、5G通信、GPU、人工智能、汽車電子等領域的IC企業(yè)中成功部署應用。

UV APS單套設備使用了4片 FPGA，可靈活堆疊，最大容量支持25套設備級聯(lián)（100片F(xiàn)PGA互聯(lián)）。集成智能化、自動化的全流程編譯軟件 APS Compiler，為芯片設計者提供了高效的驗證方式，降低在驗證階段的時間成本；同時提供豐富的FMC接口子卡，以適配各種接口驗證，提供充足的One-Bank互聯(lián)通道，以支撐系統(tǒng)擴展；配合深度調試方案，縮短測試周期，加快芯片上市。

圖 新一代時序驅動FPGA原型驗證系統(tǒng)UV APS

創(chuàng)新點一：創(chuàng)新自研的時序驅動全流程編譯軟件APS Compiler

UV APS集成了創(chuàng)新自研的時序驅動全流程編譯軟件APS Compiler，在性能和自動化程度方面具有明顯優(yōu)勢。

在性能上：APS Compiler內(nèi)嵌時序驅動分割引擎，可通過大范圍的TDM Ratio自動最優(yōu)求解，輕松處理多達100顆FPGA的設計容量，讓邏輯電路運行速度更快。同時，APS Compiler還能實現(xiàn)自動化時序驅動分割、片間走線、邏輯本地化、MCP（多周期路徑）分析等，使時序驅動流程更完整。對于典型的SoC設計，APS Compiler的驗證性能高達20+MHz，可輕松支持10億門以上設計的分割需求。

在自動化程度上：APS Compiler可基于RTL Module的時序驅動分割算法，提供全自動和人工向導兩種模式，助力實現(xiàn)高效驗證。而對于FPGA不能支持的設計單元，比如多端口存儲（Multi-port Memory）、多維數(shù)組、跨模塊引用（XMR）、三態(tài)門（Tri-state）等，業(yè)界一些主流工具會要求用戶修改RTL代碼，而UV APS可實現(xiàn)自動化轉換。

圖 UV APS自動化時序驅動編譯流程

創(chuàng)新點二：多樣化調試手段

在原型驗證過程中，調試功能是不可或缺的。傳統(tǒng)FPGA原型驗證平臺受限于自身容量，其觀測性和調試性較差，而UV APS在這兩方面做出了較大提升。

UV APS中的信號波形采集工具不占用FPGA內(nèi)部存儲空間，通過可配置的Trigger條件，抓取設計內(nèi)部信號波形，存儲到外部專用Memory上。可支持多種邏輯組合的觸發(fā)條件，波形顯示清晰便于直觀查看。

同時，UV APS支持FPGA芯片回讀捕獲調試，可讀取片內(nèi)寄存器值；Back Door功能可實現(xiàn)后門讀寫，有效避免用戶頻繁地重啟系統(tǒng)；支持多FPGA、多觸發(fā)條件調試，多時鐘域信號采集至單一波形文件，多波形單一窗口組合顯示。此外，ECO功能通過利用VIVADO工具的增量布局布線特性，可以加快周轉時間。這些調試方式都能極大地提高調試效率，大幅縮短測試周期和上市時間。

圖 UV APS豐富的Debug功能

創(chuàng)新點三：大容量、拓展靈活的硬件系統(tǒng)

FPGA原型驗證平臺作為一個生產(chǎn)工具，其硬件系統(tǒng)的大容量與可拓展的靈活性都將直接影響芯片驗證的進度。

在容量方面，UV APS硬件系統(tǒng)能夠支持最多25臺設備級聯(lián)。

在靈活性方面，UV APS硬件系統(tǒng)中單顆FPGA便可支持46路以上高速GTY收發(fā)器，速度高達28Gbps，支持多路全局可編程時鐘。此外，UV APS中單顆FPGA還擁有超過1700個IO接口，并提供FMC外部標準擴展接口和One Bank連接器，可滿足用戶的互聯(lián)需求。

UV APS硬件系統(tǒng)還提供了自檢功能，同時支持上位機軟件控制上電、斷電功能，并且?guī)в校合到y(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、過流過壓保護、溫度監(jiān)測等一系列的安全保護措施。

創(chuàng)新點四：適配典型應用場景的解決方案

合見工軟UV APS同時提供了面向多種行業(yè)應用的原型驗證子卡、Memory Model、Speed Adaptor及快速定制服務；UV APS支持PCIe Gen5、DDR5、HBM2e、HBM3、MIPI、LPDDR5、Gigabit Ethernet等高性能接口速率適配，支持虛擬原型混合驗證等一系列適配多種典型應用的解決方案，以滿足用戶對原型驗證的各種復雜場景需求。

六、大芯片驗證算力集群解決方案——企業(yè)級EDA云數(shù)據(jù)中心

區(qū)別于傳統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心，EDA云數(shù)據(jù)中心需要搭建專用的硬件仿真器，來進行大規(guī)模的芯片驗證。其次，數(shù)據(jù)安全性對IC企業(yè)尤為重要，必須確保芯片設計、驗證是在安全的工作環(huán)境中。再結合靈活的付費模式、云端彈性算力，EDA云數(shù)據(jù)中心可以有效降低企業(yè)的硬件投入成本，提高芯片驗證效率。

以合見工軟針對某半導體設計公司的云數(shù)據(jù)中心項目為例，合見工軟為本項目定制化部署了企業(yè)級EDA云數(shù)據(jù)中心，建設了專用的IDC機房。根據(jù)客戶的算力要求，搭建了FPGA硬件驗證云設備集群，級聯(lián)數(shù)百顆FPGA，全天候7x24小時運行，為客戶的超大規(guī)模系統(tǒng)芯片做驗證。并可同步運作多種驗證場景，包括芯片設計仿真Simulation云任務、系統(tǒng)級PCB設計軟件云任務等，同時支持跨地域驗證團隊協(xié)同使用云數(shù)據(jù)中心資源。

七、結語

基于自建的EDA云數(shù)據(jù)中心，結合新一代時序驅動FPGA原型驗證系統(tǒng)UV APS等旗艦產(chǎn)品，合見工軟在解決大芯片的驗證問題方面實現(xiàn)了升維和突破，不僅進一步提升了我國在EDA驗證工具領域的水平，也將為國內(nèi)半導體設計業(yè)的發(fā)展持續(xù)助力。

合見工軟秉承兩點原則為中國芯片企業(yè)提供支持：“以客戶為中心，以產(chǎn)品為核心競爭力”。EDA是一個產(chǎn)品為王的行業(yè)，在保持技術和性能領先的同時，需要更快地把握設計公司的真正需求和痛點，從前端需求上研發(fā)和演進EDA設計方法學，打造更好的產(chǎn)品和技術，并持續(xù)優(yōu)化，秉持“守正出新，篤行致遠”的企業(yè)精神，合見工軟將不斷的進行迭代和技術更新，以保持產(chǎn)品競爭力。

審核編輯 ：李倩