從數(shù)月到幾小時(shí)，這枚Multi-Die系統(tǒng)芯片是如何快速交付的？

如今，芯片開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，芯片制造商迫切希望芯片在送到實(shí)驗(yàn)室后，能盡快完成相關(guān)工作并盡早發(fā)貨。更準(zhǔn)確地說(shuō)，他們希望從芯片送達(dá)實(shí)驗(yàn)室到將產(chǎn)品交付給客戶，整個(gè)過(guò)程僅需數(shù)小時(shí)的時(shí)間，而不用耗費(fèi)數(shù)天或數(shù)月。這就要求整個(gè)系統(tǒng)（包含芯片及其上運(yùn)行的所有軟件）必須提前準(zhǔn)備就緒，并按預(yù)期運(yùn)行。

軟件已成為當(dāng)今電子系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。從虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭顯，到高等級(jí)自動(dòng)駕駛汽車，這些由軟件驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)都依賴于精密的復(fù)雜算法，才能讓從元宇宙沉浸式體驗(yàn)到高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)等功能得以實(shí)現(xiàn)。

先進(jìn)片上系統(tǒng)（SoC）和Multi-Die系統(tǒng)中的軟件內(nèi)容呈爆炸式增長(zhǎng)，使得開(kāi)發(fā)過(guò)程變得復(fù)雜而耗時(shí)。若要確保滿足產(chǎn)品上市時(shí)間要求，硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)就必須齊頭并進(jìn)，而不能等到硬件設(shè)計(jì)完成后再開(kāi)始軟件開(kāi)發(fā)。而軟件啟動(dòng)（bring-up）旨在確保軟件功能完全正常、與目標(biāo)芯片進(jìn)行了正確集成并針對(duì)目標(biāo)芯片進(jìn)行了優(yōu)化，它對(duì)確保整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和性能至關(guān)重要。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)者該如何才能更快、更高效地完成軟件啟動(dòng)過(guò)程？在Multi-Die系統(tǒng)中，每個(gè)異構(gòu)芯片都可以是一個(gè)擁有完整軟件堆棧的獨(dú)立系統(tǒng)，且所有芯片必須協(xié)同工作，才能實(shí)現(xiàn)Multi-Die系統(tǒng)的功能。那么，大型Multi-Die系統(tǒng)會(huì)對(duì)軟件啟動(dòng)流程產(chǎn)生怎樣的影響呢？本文將重點(diǎn)介紹Multi-Die系統(tǒng)的復(fù)雜性和相互依賴性給軟件啟動(dòng)帶來(lái)的新挑戰(zhàn)，以及虛擬原型和電子數(shù)字孿生等技術(shù)如何幫助開(kāi)發(fā)者應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

Multi-Die系統(tǒng)的軟件啟動(dòng)需要些什么？

Multi-Die系統(tǒng)已逐漸成為半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的主流，讓開(kāi)發(fā)者可以更迅速地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)功能、降低風(fēng)險(xiǎn)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。對(duì)于AI、ADAS、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算等計(jì)算密集型應(yīng)用，Multi-Die系統(tǒng)已成為系統(tǒng)架構(gòu)的首選。

Multi-Die系統(tǒng)將多個(gè)芯片（也稱Chiplets）融合在一個(gè)封裝中，帶寬和功耗表現(xiàn)出色，可滿足各種應(yīng)用不斷提高的功能需求。Multi-Die系統(tǒng)的模塊化架構(gòu)可幫助芯片開(kāi)發(fā)者更迅速地打造新的產(chǎn)品型號(hào)，從而更快抓住多個(gè)終端市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。

與單片系統(tǒng)相比，Multi-Die系統(tǒng)使軟件變得更錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至也讓開(kāi)發(fā)變得更困難。單片SoC通常由具有特定組織結(jié)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)，按預(yù)先確定的日程安排開(kāi)展開(kāi)發(fā)工作。Multi-Die系統(tǒng)由多個(gè)芯片組成，而這些芯片可能采用了不同的制程節(jié)點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的流程是行不通的。

從技術(shù)角度來(lái)看，十年前由多個(gè)PCB組成的系統(tǒng)，如今已演變?yōu)榭捎蓡蝹€(gè)Multi-Die系統(tǒng)代替。這其中的軟件復(fù)雜性變化不言而喻。除了在各個(gè)芯片的硬件上調(diào)試軟件堆棧外，開(kāi)發(fā)者還需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成和測(cè)試。數(shù)據(jù)通過(guò)復(fù)雜的Die-to-Die接口在芯片之間不斷流轉(zhuǎn)，例如通用芯?；ミB技術(shù)（UCIe）（通?；赑CIe或CXL）。這些接口需要進(jìn)行正確的軟件設(shè)置和編程。隨著軟件虛擬機(jī)監(jiān)控程序的加入，情況變得更加復(fù)雜，因?yàn)檐浖摂M機(jī)監(jiān)控程序會(huì)使用復(fù)雜的虛擬化功能和半虛擬化軟件驅(qū)動(dòng)程序（如單根輸入/輸出虛擬化（SR-IOV）標(biāo)準(zhǔn)）來(lái)共享硬件接口。在單個(gè)PCIe主機(jī)/設(shè)備中開(kāi)發(fā)和調(diào)試這些設(shè)置已非易事，而對(duì)于包含多個(gè)此類接口的復(fù)雜Multi-Die系統(tǒng)，更是難上加難。調(diào)試工作在技術(shù)層面和組織層面都面臨重重挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，目前芯片功能不斷增加，但調(diào)試接口數(shù)量有限，調(diào)試可見(jiàn)性因此受到限制；而在組織層面，調(diào)試流程可能要求不同公司的團(tuán)隊(duì)建立聯(lián)系，以了解并共同確定調(diào)試方案，其中的困難顯而易見(jiàn)。

為確保最終應(yīng)用正常運(yùn)行，量產(chǎn)前就必須將芯片上運(yùn)行的軟件載入硬件加速系統(tǒng)中，進(jìn)行超過(guò)數(shù)百億個(gè)周期的測(cè)試。在就Multi-Die系統(tǒng)硬件組件做出任何決策時(shí)，都需要綜合考慮軟件的影響。軟件在不斷發(fā)展，因此測(cè)試過(guò)程也要隨之持續(xù)演變。

加速軟件啟動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)

在新設(shè)計(jì)的硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試，是為了使軟件中的設(shè)置與目標(biāo)器件的特性相匹配。換句話說(shuō)，軟件必須與硬件相匹配，才能確保功能正常，使系統(tǒng)達(dá)到出色性能。此過(guò)程包括由專用控制器對(duì)芯片進(jìn)行底層初始化，并對(duì)主操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。軟件實(shí)際上是一個(gè)多層整體堆棧，其中可能包括提供服務(wù)的中間件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或與外界通信的元件（如USB或以太網(wǎng)控制器）。

通過(guò)采用多種流片前技術(shù)在不同的抽象層次進(jìn)行部署，可以進(jìn)一步縮短產(chǎn)品上市時(shí)間并提高軟件質(zhì)量。以下列舉了五種技術(shù)：

虛擬原型，由開(kāi)發(fā)者創(chuàng)建事務(wù)級(jí)模型，其本質(zhì)是使用C++語(yǔ)言為以RTL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的芯片創(chuàng)建等效模型。這有助于實(shí)現(xiàn)流程左移，并支持引導(dǎo)啟動(dòng)。虛擬原型可在整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)于主機(jī)上的操作系統(tǒng)而言，虛擬原型模型就像是真實(shí)的設(shè)備。虛擬模型可以連接到真實(shí)的物理接口（如PCIe、USB和以太網(wǎng)），也可以連接到硬件加速器或原型上的RTL模型，從而使虛擬原型能夠在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行交互，并為某些類型的測(cè)試提供真實(shí)的激勵(lì)輸入。

對(duì)RTL依次使用硬件加速和物理原型系統(tǒng)，這樣可以達(dá)到一定的精度，但速度比虛擬原型要慢。這種方法需要成熟的RTL和IP描述。后續(xù)通過(guò)應(yīng)用快速物理原型，開(kāi)發(fā)者可以將軟件與物理設(shè)備連接起來(lái)，以驗(yàn)證芯片在現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)行情況。

混合原型，將虛擬原型和物理原型（即基于FPGA）的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，以加快軟件開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成。硬件和軟件開(kāi)發(fā)者可以借此提高調(diào)試可見(jiàn)性，并更好地控制開(kāi)發(fā)中的軟件，從而更大限度地優(yōu)化原型性能，并加速系統(tǒng)啟動(dòng)。

電子數(shù)字孿生，為開(kāi)發(fā)中的系統(tǒng)提供虛擬表示，以便開(kāi)發(fā)者在確定最終設(shè)計(jì)前分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并加速軟件啟動(dòng)、功耗分析和軟件/硬件驗(yàn)證流程。

除了加速軟件啟動(dòng)外，這些流片前技術(shù)還可以幫助開(kāi)發(fā)者測(cè)量芯片的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI），有助于盡早驗(yàn)證性能和功耗，履行對(duì)客戶的承諾，從而降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、減少返工，為按期投產(chǎn)和后續(xù)芯片銷售提供保障。

根據(jù)軟件任務(wù)的具體需求，Multi-Die系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者可能要在不同抽象層次上混合使用不同的驗(yàn)證引擎。鑒于軟件非常多樣化，可以考慮先采用虛擬原型引擎，然后再結(jié)合虛擬和物理原型/硬件仿真加速（分別稱為混合原型和混合硬件仿真加速）技術(shù)，為軟件開(kāi)發(fā)者提供支持，同時(shí)滿足Multi-Die系統(tǒng)的容量需求。例如，部分流片前軟件可以在硬件加速器上運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)虛擬原型或建模對(duì)其他軟件組件進(jìn)行抽象處理。在設(shè)計(jì)流程后期，開(kāi)發(fā)者還需要對(duì)硬件上運(yùn)行的軟件（也就是整個(gè)系統(tǒng)）進(jìn)行驗(yàn)證，以確保達(dá)到性能目標(biāo)。

對(duì)于Multi-Die系統(tǒng)的軟件啟動(dòng)而言，混合方法可能最為有效。所有的單個(gè)組件都驗(yàn)證結(jié)束后，就可以在大容量硬件加速器上運(yùn)行整個(gè)Multi-Die系統(tǒng)，如最大容量300億門級(jí)的新思科技ZeBu硬件加速系統(tǒng)。而通過(guò)Synopsys Cloud等解決方案在云端運(yùn)行硬件加速還為Multi-Die系統(tǒng)提供了更大的容量，并可根據(jù)高峰需求時(shí)段的情況更靈活地利用硬件加速器資源。除了ZeBu硬件加速系統(tǒng)外，新思科技驗(yàn)證系列產(chǎn)品還包括新思科技HAPS原型系統(tǒng)和新思科技Virtualizer虛擬原型解決方案。該系列產(chǎn)品共同提供了早期軟件啟動(dòng)和系統(tǒng)驗(yàn)證所需的功能。隨著AI持續(xù)融入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）流程，機(jī)器學(xué)習(xí)算法也將有可能在軟件啟動(dòng)期間發(fā)揮關(guān)鍵作用，并在軟件調(diào)試期間幫助進(jìn)行根本原因分析。

總結(jié)

軟件定義系統(tǒng)為我們帶來(lái)了種種新奇產(chǎn)品和工具，例如可以帶我們暢游天南地北的VR頭顯、可以自動(dòng)泊車和自動(dòng)駕駛的汽車，以及可以控制家庭照明和暖通空調(diào)系統(tǒng)的AI智能揚(yáng)聲器等等。上文討論的多種流片前技術(shù)，有助于加速M(fèi)ulti-Die系統(tǒng)的軟件啟動(dòng)過(guò)程，以確保協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)中的軟硬件，從而實(shí)現(xiàn)最終應(yīng)用的功能和性能目標(biāo)。硬件加速器和（虛擬）原型系統(tǒng)及其混合組合等驗(yàn)證解決方案，可為新興技術(shù)提供支持，幫助開(kāi)發(fā)者打造各種智能互聯(lián)的電子產(chǎn)品，進(jìn)一步豐富我們的智能生活。