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全新架構數字仿真器——穹鼎Galaxsim

在晶片前端設計工程師的日常工作中,需要用硬體描述語言Verilog HDL将各種算法/協定等實作後,再進行RTL的功能仿真,以便在軟體環境中,驗證電路的行為和設想中的是否一緻。這也意味在流片前,工程師需要花大量時間利用數字仿真器來驗證晶片,保證其功能的正确。

作為晶片驗證必不可少的一個環節,仿真技術是保證晶片功能正常的關鍵簽核(sign-off)技術,通過計算機結合測試激勵來模拟晶片在真實環境下的運作狀況,幫助工程師通過各種調試手段來判斷運作結果是否符合預期。數字仿真器主要是針對數字電路的仿真,設計工程師需要應用硬體描述語言來設計電路,而驗證工程師也需要用抽象層的HDL來搭建測試環境;仿真工具需要解釋編譯這些HDL代碼,并計算出仿真結果,以便工程師檢查結果。

全新架構數字仿真器——穹鼎Galaxsim

伴随設計驗證語言和方法學不斷推陳出新,各種應用平台也層出不窮。這一系列的技術發展都給數字仿真器帶來了前所未有的挑戰。設計具有競争力的片上系統(SoC)需要合理地利用各種高精尖的技術。對于數字仿真器來說,它面臨的挑戰不僅僅是晶片規模上的增長,還有伴随而來的一系列問題,包括:算力受限、調試效率低下、平台單一化等。

多年來,業内人士通常認為一款好的數字仿真器,應該具備以下條件:

-保障仿真結果的正确性和一緻性,滿足sign-off (簽核)的要求

-具備對IEEE1364和IEEE1800标準文法的支援,具有文法點、功能點的合規性

-仿真器核心可以實作高效的排程器,靈活強大的随機求解器

-在調試方面,工具應當緊密融合各種調試應用,提高調試有效性

但更進一步,針對産業發展現狀的痛點,先進的數字仿真器還應該具備以下特質:

-為了進一步利用新的計算架構和平台,除了傳統的X86,更能無縫地支援如ARM等其他新型處理器架構及原生雲計算架構,并能有效利用并行計算支撐高性能編譯與運算

-仿真器和其他驗證工具具有高度的融合性,及統一覆寫率的資料結構,以保證各種工具覆寫率收集的有效性

芯華章仿真器核心研發團隊具備數十年相關領域研發經驗,曾在跨國公司成功主導過大型仿真器項目,對驗證語言、方法學、仿真器核心構架、算法、優化有着豐富的技術儲備。

基于對前沿技術發展趨勢的的判斷,并結合行業現實的挑戰進行深入的研究和探索,芯華章在經過一年多的研發積累,并得到國内多個知名客戶配合打磨後,推出一款獨立自主、全新架構的國内領先水準仿真器——穹鼎 GalaxSim。該産品創新性地使用新的軟體架構,提供多平台支援,并且已在多個基于ARM平台的國産架構上測試通過。

目前,穹鼎GalaxSim支援IEEE1800 SystemVerilog 文法、IEEE1364 Verilog 文法,以及IEEE1800.2 UVM方法學,在語義解析、仿真行為、時序模型上,已達到主流商業仿真器水準。穹鼎GalaxSim仿真器能夠提供統一的覆寫率資料庫,并相容芯華章旗下穹瀚GalaxFV等其他驗證工具,結合穹景GalaxPSS智能驗證系統提供的豐富測試場景,可以加速覆寫率收斂,高效地解決業界其他工具缺乏相容性的問題,進一步提高驗證效率。

使用穹鼎GalaxSim的驗證執行個體

為了驗證GalaxSim仿真的功能正确性,調試的易用便捷性,以及性能上是否能夠滿足客戶的需求,我們特地把基于Verilog語言的蜂鳥E203開源 RISC-V CPU設計運作在芯華章的仿真器上,作為一個示範demo。

蜂鳥E203是國内首個開源RISC-V處理器,從2018年釋出至今,積累了廣泛的使用者。E203核心采用2級流水線結構,能夠運作RISC-V指令集,支援RV32IMAC等指令子集的配置組合,具備工業級開發标準,符合目前處理器架構往DSA(Domain Specific Architecture)發展的新趨勢,因而具有廣泛的代表性。

全新架構數字仿真器——穹鼎Galaxsim

開源蜂鳥E203 SoC整體框圖

穹鼎仿真器首先需要讀取晶片設計,之後經過解析和抽象,轉換為仿真器内部緊湊高效的資料結構,并基于新一代編譯技術,快速生成原生平台仿真程式。同時,我們打開波形調試工具,IC工程師即可以運作仿真程式來進行驗證。

編譯完成後,我們執行仿真程式。程式在運作後,同時進行信号波形的檔案轉儲,以供調試。本次驗證執行個體中的環境技術包含多款國産化産品,涉及晶片設計、處理器、伺服器、作業系統等環節。

全新架構數字仿真器——穹鼎Galaxsim

穹鼎 GalaxSim基于芯華章FusionVerify 智V驗證平台,支援自主研發的新波形格式及波形調試工具,使用者能夠友善地檢視信号波形,快速定位到缺陷的時間片和異常信号,進而進行修複。

同時,我們還用同樣的設計放在第三方仿真器上運作。這樣,一方面對比仿真結果以探索功能的正确與否,另一方面可以對比仿真的效率,便于對比工具的性能名額。

經過實測和比較,GalaxSim運作結果完全和商業仿真器一緻,性能也達到預期的要求。多個客戶試用在GalaxSim上運作蜂鳥的demo後,表達了對産品的高度認可:調試工具使用流暢,使用者界面操作友好易用,且支援不同處理器架構。

産品亮點

國内率先提出多架構支援的仿真器,具備:

-靈活的可移植性,友好的軟硬體生态支援

-支援不同的處理器計算架構,包括X86、ARM、MIPS、RISC-V、NPU、GPGPU等

傳統的EDA工具大多數和單一CPU構架耦合度高,例如某些EDA工具僅支援X86的平台。一旦需要遷移到另一種平台上,所需要的研發工作量是巨大的。如今,處理器生态越來越多樣化,未來的平台不再是某個單一處理器的平台,降低EDA工具對底層CPU構架的耦合度,可以讓使用者更加有效地把工具部署在任何平台上,也讓産品有更多應用空間。

全新架構數字仿真器——穹鼎Galaxsim

全面支援多種HDL文法,語義解析一緻性強

-相容Verilog标準IEEE1364

-全面支援SystemVerilog、UVM标準(IEEE1800,IEEE1800.2)

-原生支援,不需要修改客戶源代碼

仿真器對文法正确解析決定了它能否正确了解設計意圖,同時也可以避免相同的編碼在不同的仿真器下産生不同仿真結果。Verilog标準(IEEE1364)和SystemVerilog标準(IEEE1800)定義的這兩種語言的語義非常的複雜,關鍵字衆多,各種組合情況近乎無窮。穹鼎GalaxSim可以在建構仿真器的測試用例時考慮文法的各個方面,以及各種邊界場景,做到全面完整的測試。

調試功能卓越,可觀測性表現形式豐富

-支援VCD和FSBD 波形導出(配合第三方庫)

-支援芯華章自研波形格式XEDB

-支援快速的代碼覆寫率(Code coverage)

調試的重點在于可觀測性和可控制性。穹鼎GalaxSim針對不同的場景提供各種有效的資料表現形式,并在不同資料形式間可以同步資料标注(annotation)。此外,穹鼎GalaxSim降低了工具的使用門檻,可以讓初級使用者也非常快速地掌握調試技術,并且提供通用語言的二次開發的接口。

穹鼎GalaxSim的優異性能得到了生态夥伴的高度認可。

陳 剛 中科院半導體所副研究員

利用芯華章仿真工具GalaxSim,我們在兩周内就将設計調通。和其他商用仿真器對比結果顯示,芯華章GalaxSim對RTL行為仿真行為正确,在性能上,很多場景和其他商用工具已經基本一緻。我們期待和芯華章的進一步合作。

黃 武 芯華章科技産品和業務規劃總監

為了保證文法的合規性和仿真精确度,我們對産品進行了嚴苛的各種測試,包括對IEEE1364、IEEE1800各個文法點的分析,和結合主流商業仿真器的對比測試,確定工具在語義解析、仿真行為、時序模型上保持一緻,進而有效幫助使用者提高驗證效率,加快驗證收斂速度。

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