關(guān)于RISC-V 處理器驗(yàn)證的問(wèn)題

處理器的驗(yàn)證比同等大小的ASIC復(fù)雜得多，而RISC-V處理器的復(fù)雜性將更高。

近日，Semiconductor Engineering與多家半導(dǎo)體高管討論了關(guān)于RISC-V 處理器驗(yàn)證的問(wèn)題，以下是那次談話的節(jié)選。

問(wèn)：是什么讓 RISC-V 處理器的驗(yàn)證不同于任何其他 ASIC？

Dave Kelf ：處理器驗(yàn)證是一個(gè)全新的領(lǐng)域。我們知道 Arm 和 Intel 對(duì)處理器質(zhì)量的期望設(shè)置了很高的標(biāo)準(zhǔn)。在 RISC-V 中，我們必須嘗試并遵循這一點(diǎn)。

首先，RISC-V 是有標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證類型的活動(dòng)，為確保其正常工作，確保微架構(gòu)健全，并獲得與指令集的兼容性。您必須確保這些設(shè)備確實(shí)適合它們要使用的系統(tǒng)。它們是否適合中斷正常工作？系統(tǒng)是否連貫？加載存儲(chǔ)是否可以在處理器和系統(tǒng)其余部分之間正常工作？效率夠高嗎？有瓶頸嗎？所有這些因素都必須不必在常規(guī)塊或非核心塊中測(cè)試的處理器中進(jìn)行測(cè)試，這是最大的不同。并嘗試實(shí)現(xiàn)此驗(yàn)證，這非常復(fù)雜。Arm 已經(jīng)投資了大約 1.5 億美元。驗(yàn)證這些內(nèi)核需要大量的時(shí)鐘周期。RISC-V 仍在朝著這個(gè)方向發(fā)展，他們還有很長(zhǎng)的路要走。

Hardee：處理器驗(yàn)證的不同之處在于，我們?cè)噲D實(shí)現(xiàn)的是 ISA 中的每條指令都給出完全相同的結(jié)果，在任何情況下都完全按照程序員的指令行事。處理器驗(yàn)證和 ASIC 驗(yàn)證之間的最大區(qū)別在于，ASIC 通常用于更受限的環(huán)境中以實(shí)現(xiàn)更明確的目的，而處理器則以完全無(wú)法預(yù)料的方式使用?；旧希幚砥鞅仨毻耆凑粘绦騿T的指令進(jìn)行操作，無(wú)論程序員試圖做什么，或者它要進(jìn)入什么應(yīng)用程序。這比一般的 ASIC 驗(yàn)證要難得多。

Eftimakis：要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) RISC-V CPU，IP 塊需要具有一組定義的輸入和一組定義的輸出。這意味著不可能預(yù)見(jiàn)所有可能發(fā)生的事件組合，結(jié)合隨機(jī)中斷等。它需要在工程師不需要的級(jí)別上進(jìn)行大量復(fù)雜的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn) IP，尤其是當(dāng)您知道將在哪種配置中使用它時(shí)。

Davidmann：這些高端處理器需要數(shù)億條指令——1015是 Arm 引用的驗(yàn)證高端應(yīng)用程序內(nèi)核所需的周期數(shù)。RISC-V 將進(jìn)入這些內(nèi)核。這是大多數(shù)人從未遇到過(guò)的事情。他們正在驗(yàn)證 UVM 的小塊進(jìn)行單元測(cè)試，他們需要在這些巨大的處理器中獲得許可，但很少有人這樣做，因?yàn)?RISC-V 的挑戰(zhàn)將其提升到一個(gè)新的水平， RISC-V 規(guī)范中有很多是為了實(shí)現(xiàn)定義的。在它的特權(quán)規(guī)范中，您可以使用所有這些不同的方式。所以第一個(gè)挑戰(zhàn)是巨大的，人們沒(méi)有那種經(jīng)驗(yàn)。第二個(gè)挑戰(zhàn)是，您可以做出所有這些選擇。然后第三個(gè)挑戰(zhàn)是，RISC-V 存在或?qū)⒈唤邮艿脑蚴撬o了你創(chuàng)新和選擇新設(shè)計(jì)的自由。這意味著每個(gè)處理器在設(shè)計(jì)上都可能不同，但仍必須兼容。你必須弄清楚如何做到這一點(diǎn)，如何復(fù)制那么多的驗(yàn)證。你如何測(cè)試呢？另一個(gè)挑戰(zhàn)是在擴(kuò)展時(shí)如何確保合規(guī)性？這是真正的大挑戰(zhàn)。

Tran：驗(yàn)證處理器核心與 ASIC 或任何其他類型的外圍設(shè)備之間有什么區(qū)別？特定指令的行為取決于它之前執(zhí)行的內(nèi)容。我們不能簡(jiǎn)單地通過(guò)向處理器提供一堆隨機(jī)指令并查看它是否以相同的方式執(zhí)行來(lái)真正驗(yàn)證處理器的行為。從整體上來(lái)看，即使在單個(gè)處理器中，您也有用戶模式與系統(tǒng)模式，并且您有一系列需要驗(yàn)證的指令，而這些在今天還沒(méi)有徹底完成。

Vittal：正如其他人所說(shuō)，處理器驗(yàn)證具有挑戰(zhàn)性。有很大的靈活性，并且處理器的詳盡驗(yàn)證并不容易。ASIC 和處理器之間的主要區(qū)別是涉及更多的數(shù)據(jù)路徑。我們都知道著名的 Intel 浮點(diǎn)錯(cuò)誤。當(dāng)您有如此多的數(shù)據(jù)路徑，并且不知道該處理器在給定環(huán)境中的不同應(yīng)用時(shí)，您需要一些非常具體的技術(shù)、方法、技能和采用的工具等等。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) ASIC，您有不同的 IP。但是對(duì)于處理器，你必須深入研究并驗(yàn)證所有可能的組合。

Beyer：處理器驗(yàn)證曾經(jīng)是 Arm和 Intel 的研究對(duì)象。他們擁有專業(yè)知識(shí)、方法和計(jì)算能力，可以真正正確地完成它。而現(xiàn)在，有了免費(fèi)的 RISC-V。一方面，這與英特爾和 Arm 存在相同的復(fù)雜性問(wèn)題，但另一方面，由于可以自由定制，如果您添加自己的定制寄存器和指令，就會(huì)增加一個(gè)全新的復(fù)雜處理器。

問(wèn)：在之前的工作中我們會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，如今我們還需要考慮到一致性。這些東西如何相互關(guān)聯(lián)？每項(xiàng)任務(wù)之間有多少重疊或分離？

Hardee：我不確定一致性是一個(gè)單獨(dú)的東西，但我們肯定必須同時(shí)考慮驗(yàn)證和確認(rèn)。在 RISC-V 世界中，有多種方法可以描述我嘗試創(chuàng)建的處理器。我需要做的是驗(yàn)證我正在創(chuàng)建一個(gè)滿足要求的處理器，它在 ISA 中具有所需的一切，并且 ISA 是可實(shí)現(xiàn)的。然后是驗(yàn)證，即檢查該 ISA 的每一部分，該 ISA 的實(shí)現(xiàn)，在每種情況下，在每種組合中，包括哪些是在您開(kāi)始時(shí)無(wú)法預(yù)見(jiàn)的事情，以及程序員將來(lái)可能會(huì)用這個(gè)東西。所以那些驗(yàn)證和確認(rèn)的想法已經(jīng)涵蓋了它。

我在驗(yàn)證什么？這就是 ISA 的黃金參考模型變得極其重要的地方?；?SAIL 的模型和 SAIL 的變體正在出現(xiàn)，它們對(duì)正在構(gòu)建的內(nèi)容有更完整的形式化定義。諸如此類的事情非常重要，需要進(jìn)行驗(yàn)證，以確保涵蓋了所有這些可能發(fā)生的情況。

我們?nèi)蕴幱谄鸩诫A段。Chisel 借鑒了其他編程語(yǔ)言等的一些概念?？纯?Arm 和 Intel 在描述他們的 ISA 以及如何捕獲 ISA 的方法。Arm 之前曾在 Jasper 用戶組中介紹過(guò)關(guān)于正式驗(yàn)證 ISA 的內(nèi)容。英特爾在 x86 的合規(guī)性方面做了大量工作，Arm也一樣。

Davidmann:?Chisel 是從 Berkeley 出來(lái)的，但是業(yè)界并沒(méi)有使用 Chisel。大多數(shù)設(shè)計(jì)是在 Verilog 和 SystemVerilog 中完成的。為什么是這樣？這是因?yàn)槟鸁o(wú)法驗(yàn)證其內(nèi)容。每個(gè)人都可能使用生成器和所有此類東西來(lái)生成它，但所有設(shè)計(jì)實(shí)際上都是在 Verilog 或 SystemVerilog 中完成的。下一代 SystemVerilog 將擁有這些，但在它被采用之前，它會(huì)有模擬器，調(diào)試器用它來(lái)調(diào)試一切。你不能只擁有一門新語(yǔ)言。20 年前我們構(gòu)建 SystemVerilog 時(shí)，這就是我們的起點(diǎn)。

Eftimakis：現(xiàn)在是談?wù)摳呒?jí)語(yǔ)言的最佳時(shí)機(jī)，因?yàn)檫@正是我們開(kāi)發(fā)處理器所做的工作。我們有一種方法和工具，不僅可以從高級(jí)語(yǔ)言生成 RTL，還可以生成軟件環(huán)境、調(diào)試器、編譯器等。這確保一切都適合。如果您希望能夠使用它，那是必需的。

Tran：如果你看一下 RISC-V，Chisel 可能被視為用于創(chuàng)建 RISC-V 的主流語(yǔ)言，但還有其他語(yǔ)言，例如 SpinalHDL、Bluespec，除此之外還有其他變種。我們談?wù)摰氖且圆煌绞绞褂玫牟煌瑢?shí)現(xiàn)的多樣性。請(qǐng)記住，RISC-V 尚未部署為嵌入式系統(tǒng)中的主要計(jì)算資源。它始終是某種微控制器，或者充其量是片上系統(tǒng)內(nèi)部的某種附件。

Eftimakis：那不是真的。在嵌入式系統(tǒng)中，有很多系統(tǒng)將 RISC-V 作為主處理器。

編輯：黃飛

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