文章首發(fā)于發(fā)改委旗下《中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)雜志》，雜志由中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會主管、中國發(fā)展改革報社主辦，是目前唯一面向我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的中央級權威期刊。

前言

從70年代至今，芯片設計工具經(jīng)歷了計算機輔助設計(Computer-aided design，CAD)、計算機輔助工程(Computer-aided engineering，CAE)和EDA(Electronic Design Automation)三個階段。

但近年來，芯片設計、驗證的復雜度和成本急速上升，現(xiàn)有EDA的發(fā)展速度越來越來越跟不上芯片設計規(guī)模和需求的快速增長，且面臨著種種技術挑戰(zhàn)。因此，芯華章攜手生態(tài)合作伙伴共同研討，率先提出并明確了未來5-15年達到EDA 2.0的發(fā)展目標，主要包括開放和標準化、自動和智能化、平臺和服務化這三個大的方向，其中也特別提出了智能化驗證平臺的概念，這個概念與芯片的前端驗證有很多的聯(lián)系。

芯片前端設計，主要指芯片設計里的功能實現(xiàn)過程。這個實現(xiàn)過程中的各種測試和確認，就是前端驗證。隨著芯片越來越復雜，驗證的工作量逐漸超過了設計的工作量，當前無論是投入的人力或時間，芯片實現(xiàn)流程中驗證工作都占最高比例。因此高質(zhì)量的前端驗證工具，對芯片設計非常重要。 當前芯片驗證工具的市場，主要由Synopsys、Cadence和SiemensEDA(原Mentor)三家國外EDA廠商占領，特別是Synopsys和Cadence，都有自己完整的全套前端驗證軟硬件工具集。前端驗證工具的全球市場規(guī)模大約為每年15-25億美元，約占整個EDA市場的15-20%。

本文重點面向“工具平臺化”目標，聚焦到芯片設計的前端驗證環(huán)節(jié)，從驗證的核心目的、常用工具出發(fā)，分析在哪些方面可以從“驗證工具”發(fā)展為“驗證平臺”，提高驗證效率，為芯片設計客戶提供更多的價值。

前端設計驗證的目的和指標

芯片設計的前端部分，最簡化流程只需要邏輯描述(寫RTL級代碼)和邏輯綜合兩步，就可以生成前端網(wǎng)表(netlist)，完成設計過程。但是，如此復雜的硬件芯片邏輯，很難保證邏輯完全正確，也需要確認軟硬件能正確配合。

因此，芯片的前端設計投入，大部分都花在前端設計驗證(簡稱前端驗證)上，這已經(jīng)成為當下整個芯片設計流程中的最大最耗時間的瓶頸。同時，越來越激烈的市場競爭和越來越短的創(chuàng)新周期要求芯片盡量縮短驗證時間，越來越高的制造成本又要求盡量提高驗證質(zhì)量。

前端驗證的主要目的是盡可能短的時間內(nèi)，確保設計的邏輯功能正確性和完備性。這種正確性和完備性是如何衡量的?當前的芯片前端驗證，已經(jīng)逐漸形成了覆蓋率驅(qū)動的驗證流程和評價指標，包括：

功能覆蓋率

檢查硬件邏輯實現(xiàn)和軟硬件集成系統(tǒng)已經(jīng)是否達到了應用系統(tǒng)的全部目標功能。

斷言覆蓋率

斷言覆蓋率與功能覆蓋率有重合之處，但也有區(qū)別，主要目的是檢查邏輯實現(xiàn)是否達標和有沒有超出設計目標之外的錯誤行為。

代碼覆蓋率

檢查邏輯實現(xiàn)有沒有可觸發(fā)但沒有測試過的代碼行、分支、條件，或不可觸發(fā)的冗余代碼。

故障覆蓋率

針對特定類型的芯片如車規(guī)芯片，對功能安全要求比較高，還有故障注入測試和故障覆蓋率的概念。目的是檢查如果出現(xiàn)某些特定物理錯誤是否會導致系統(tǒng)發(fā)生不可接受的后果。

除了可以由工具自動完成的語法檢查等基本檢查外，上面的四種覆蓋率指標其實是測試了“我想要的”、“我想到的”、“我沒想到的”和“我不想要的”這四個層次，達到比較完備的功能性驗證目的。

前端設計驗證的方法和工具

01 基于仿真模擬的方法和工具

仿真模擬驗證的方法，首先將輸入場景利用軟件的方法模型化，或者直接運行目標硬件上的軟件，從而模型或目標軟件產(chǎn)生測試激勵，測試激勵輸入給運行在EDA仿真工具內(nèi)的芯片設計。簡單來說，就是將輸入驅(qū)動給設計，驗證這邊根據(jù)具體的功能，也抽象的描述其功能以及預期結果，最后根據(jù)模型預期結果和設計輸出結果統(tǒng)計前面提到三種覆蓋率指標。 如下圖里的高層次測試用例既可以是UVM事務級模型，也可以是CPU上運行的軟件產(chǎn)生的場景數(shù)據(jù)，最終經(jīng)過UVM等事務級測試環(huán)境轉(zhuǎn)化為信號激勵給DUT(待測設計，Device Under Test)。

前端的仿真模擬驗證工具，根據(jù)仿真原理的區(qū)別，一般分為軟件仿真工具、FPGA原型仿真工具、硬件仿真工具。

? 軟件仿真也叫邏輯仿真，在主機(一般為x86)上通過CPU軟件去仿真設計電路的行為，對模塊級電路的編譯速度快但仿真速度很慢，調(diào)試性能好。

? FPGA原型仿真基于高性能FPGA芯片和專用軟件工具組成，由于FPGA芯片內(nèi)部電路可重構的特點幾乎可以完全映射芯片的邏輯設計，又有高性能芯片高速并行的特性，因此基于FPGA原型工具的仿真性能是最高的，對由真實軟件驅(qū)動的SoC級軟硬件協(xié)同仿真特別重要。

? 硬件仿真工具基于硬件平臺和專用軟件工具，其核心硬件有基于FPGA的也有基于專用ASIC芯片的，與FPGA原型仿真工具的主要區(qū)別在于硬件仿真保證了更高的可調(diào)試性和更大的設計規(guī)模，但性能不如FPGA原型仿真。除了RTL仿真調(diào)試之外，硬件仿真與FPGA原型工具一樣經(jīng)常用于軟硬件系統(tǒng)集成驗證。

此外，近年來基于Accellera PSS(Portable Stimulus Standard)標準和高級語言建模的智能激勵生成工具，可以高效地針對特定驗證場景自動產(chǎn)生測試用例。針對不同的驗證平臺和驗證層級，PSS工具可以生成不同形態(tài)、適配多種驗證環(huán)境的測試用例，配合各種仿真模擬工具進行芯片驗證。

02 形式驗證的方法和工具

形式驗證是仿真模擬驗證的一種補充，是從數(shù)學上完備地證明設計實現(xiàn)方案是否滿足了設計規(guī)范所描述的功能。其采用基于模型的數(shù)學求解方法，針對用戶提供的斷言和屬性，面向目標設計所有可能的輸入來進行證明，確定該設計是否與給定的規(guī)范功能一致，從而避免在一個極大輸入范圍內(nèi)做無數(shù)次仿真模擬，針對被測模塊直接給出完備的功能和代碼覆蓋率結論，提升驗證的可靠性和效率。

形式驗證方法對應的工具一般就是支持模型檢查(model checking)的專用形式驗證工具，其應用流程包括設計模型化、模型和解空間分析、模型求解、反例輸出等，最后要么證明設計是正確的，要么給出能證明設計出錯的輸入用例。

03 分析和調(diào)試的工具

同時，驗證過程中驗證工程師還需要對設計和驗證進行調(diào)試的手段，這包括了電路、波形和代碼查看、覆蓋率跟蹤分析、仿真流程分析、高層次協(xié)議分析等功能，業(yè)界也有多種相關的驗證調(diào)試工具。

前端驗證工具的統(tǒng)一和平臺化

前面提到的五種前端驗證工具，其共同的驗證目標都是前文提到的幾種覆蓋率，驗證過程中也都要給工程師提供調(diào)試的手段和驗證流程的控制?；谶@些共同的目標、技術和方法，我們可以想到，多種驗證工具可以提取共同點、協(xié)同工作、規(guī)范流程，形成一個統(tǒng)一的驗證平臺。 統(tǒng)一的驗證平臺，其統(tǒng)一性體現(xiàn)在功能模塊、數(shù)據(jù)和流程這三個方面。具體可以列為如下幾點：

統(tǒng)一的前端代碼解析

從用戶的RTL級設計代碼出發(fā)，要經(jīng)過解析、編譯、優(yōu)化、映射等步驟，其中前端的解析、編譯和部分優(yōu)化步驟是與具體運行的硬件無關的，這部分模塊可以在各驗證工具間共享，實現(xiàn)算法、中間數(shù)據(jù)和變量命名的統(tǒng)一，這對EDA產(chǎn)品開發(fā)和客戶調(diào)試都有很大的便利。

統(tǒng)一的覆蓋率數(shù)據(jù)庫

無論是軟件還是硬件仿真，包括形式化驗證，都可以輸出對應測試模塊覆蓋率的數(shù)據(jù)，這些交叉數(shù)據(jù)必須統(tǒng)一到一個最終的覆蓋率數(shù)據(jù)庫和訪問接口中，在各工具間共享，才能制定高效的測試計劃，避免重復測試。Accellera組織曾發(fā)布過UCIS (Unified Coverage Interoperability Standard)這個覆蓋率數(shù)據(jù)交換標準，統(tǒng)一的驗證平臺應該支持這樣的標準化接口，并在各驗證工具間統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。

統(tǒng)一的仿真波形數(shù)據(jù)庫

類似于覆蓋率數(shù)據(jù)庫，各種工具仿真的波形結果，也需要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫格式，方便各種工具協(xié)同。目前除了IEEE1364標準中規(guī)定的開放數(shù)據(jù)格式VCD之外，Synopsys公司的FSDB私有壓縮格式數(shù)據(jù)庫也是常見的波形格式。未來國產(chǎn)EDA行業(yè)一定會出現(xiàn)更開放性能更好的統(tǒng)一波形數(shù)據(jù)格式。

統(tǒng)一的智能調(diào)試系統(tǒng)

各種驗證工具的仿真和求解結果，都只是龐雜的驗證數(shù)據(jù)庫，需要給用戶提供統(tǒng)一的界面和接口進行設計調(diào)試。這種調(diào)試包括查看波形、電路、代碼覆蓋率和功耗等各種數(shù)據(jù)，并支持用戶以靈活的條件組合展示數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化分析和追蹤設計錯誤。以不同方式對多種工具收集到的驗證數(shù)據(jù)進行深度數(shù)據(jù)挖掘，形成一個統(tǒng)一的智能調(diào)試系統(tǒng)，輔助加快設計流程。

統(tǒng)一的計算任務管理和計算資源調(diào)度

前端驗證無論是基于仿真還是基于形式化模型，其本質(zhì)都是大量的計算任務，底層需要各種計算資源(CPU, GPU, FPGA, memory)的支持。這些任務管理和資源管理，如果采用統(tǒng)一的調(diào)度器和資源管理器，不僅可以提高資源利用效率，提高驗證的自動化流程，也能更好地利用云計算平臺的海量彈性資源。

驗證工具之間的深度協(xié)同和流程自動化

由于仿真目標一致性和技術實現(xiàn)的相似性，各驗證工具也可以基于統(tǒng)一的驗證平臺實現(xiàn)多種互相協(xié)同，以及實現(xiàn)自動化的工作流程，這包括但不限于：

?軟件仿真與硬件仿真的協(xié)同和加速

?硬件仿真和FPGA原型的數(shù)據(jù)、模型、接口復用

?PSS工具自動生成激勵并自動輸出給仿真工具

?形式化驗證的覆蓋率結果自動替代非必要的仿真用例

?PSS、軟件仿真及調(diào)試工具協(xié)同，形成低功耗測試、驗證和分析方案

統(tǒng)一化的驗證平臺，不僅僅是五種驗證工具的聯(lián)合使用，它成為了更強大的驗證工具，給用戶帶來更好的易用性、更高的驗證效率、更自動化的使用流程、更智能的驗證方案。同時，統(tǒng)一驗證平臺的模塊重用、模塊開放和接口開放，也給驗證工具廠商甚至整個EDA行業(yè)減少了重復造輪子的工作。

從當前的EDA工具市場看，處于領先地位的幾家國外EDA廠商已經(jīng)初步啟動了前端驗證工具的協(xié)同，在最近幾年紛紛推出了“驗證平臺”的概念，特別是在同一公司內(nèi)的工具之間共享覆蓋率和波形數(shù)據(jù)方面。

但是幾大EDA廠商之間的數(shù)據(jù)協(xié)同還基本不存在，同時在更高層次的流程、任務、資源管理的統(tǒng)一性上還有所欠缺。國產(chǎn)EDA工具方面，目前只有芯華章科技專注在前端數(shù)字驗證全流程工具和平臺，也推出了國產(chǎn)化統(tǒng)一驗證平臺。

總結

EDA是一個寬泛的概念，對應了非常長的工具鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，這個鏈條上的每個主要環(huán)節(jié)都有自己的特點和需求。國產(chǎn)EDA要達到盡快發(fā)展、追趕先進水平的目的，就要對EDA的每一個環(huán)節(jié)進行深耕，彌補不足，發(fā)揮優(yōu)勢。

本文通過對EDA流程中前端驗證環(huán)節(jié)的總結、分析，提出了前端驗證工具統(tǒng)一為前端驗證平臺的一些具體融合路徑，以及統(tǒng)一驗證平臺給芯片設計行業(yè)帶來的額外價值。這既展現(xiàn)了芯華章等國產(chǎn)驗證工具廠商對產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗和理解，也希望能拋磚引玉，促進國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)共同求索，促進融合和開放，滿足后摩爾時代的芯片設計和驗證要求。

作者簡介

楊曄 芯華章科技產(chǎn)品和市場規(guī)劃總監(jiān)

楊曄現(xiàn)任芯華章科技產(chǎn)品和業(yè)務規(guī)劃總監(jiān)，他在各類型 CPU 與DSP 相關領域擁有超過 20 年的經(jīng)驗，包括系統(tǒng)級處理器仿真與原型設計、操作系統(tǒng)內(nèi)核和驅(qū)動程序、異構以及基于云端的AI芯片設計。他在軟硬件協(xié)同設計的豐富實戰(zhàn)經(jīng)驗將為EDA產(chǎn)品和市場帶來更多技術創(chuàng)新。在加入芯華章之前，他曾就職于英特爾、新思科技與思華科技等公司，在系統(tǒng)級設計和片上系統(tǒng)(SoC)設計、仿真、優(yōu)化方面有著深刻的洞察，致力于幫助客戶設計出更好的產(chǎn)品。

楊曄同時擁有物理學學士學位、計算機科學碩士學位與工商管理碩士學位。

原文標題：面向后摩爾時代的EDA驗證平臺

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審核編輯:湯梓紅