【ZiDongHua 之設(shè)計自動化收錄關(guān)鍵詞：思爾芯 SoC 人工智能 物聯(lián)網(wǎng) 云計算 智慧醫(yī)療 工業(yè)軟件 】
　　
　　大規(guī)模 SoC 原型驗證面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？
　　
　　引言
　　
　　隨著電子設(shè)計自動化（EDA）驗證工具的重要性日益增加，開發(fā)者們開始尋求減少流片成本和縮短開發(fā)周期的方法。其中，使用可編程邏輯芯片（FPGA）來構(gòu)建有效的驗證流程成為一種流行的解決方案，這種方法被稱為原型驗證。
　　
　　原型驗證在EDA流程中起到了至關(guān)重要的作用。一方面，它可以對芯片進(jìn)行功能驗證，確保設(shè)計的基本功能符合預(yù)期。在基本功能驗證通過后，通過原型驗證就可以提前開始驅(qū)動的開發(fā)，不用等待芯片流片（Tape Out）后的結(jié)果。當(dāng)芯片回片后，應(yīng)用程序可以直接基于原型驗證版本的驅(qū)動進(jìn)行簡單的適配，從而應(yīng)用于SoC（系統(tǒng)級芯片）上，這極大地縮短了SoC芯片的上市時間（Time-to-Market）。
　　
　　但隨著ASIC設(shè)計變得越來越龐大和復(fù)雜，開發(fā)周期也日益緊迫，需要左移驗證周期。相較于硬件仿真，原型驗證變得愈發(fā)重要。然而，單片F(xiàn)PGA已無法滿足大規(guī)模SoC的需求，商用原型驗證系統(tǒng)的使用已經(jīng)邁入多FPGA系統(tǒng)的時代。如今的研發(fā)團(tuán)隊迫切需要一款自動化程度高、性能強、穩(wěn)定性好的國產(chǎn)商用原型驗證平臺。這樣的平臺不僅需要具備強大的RTL級分割、多片F(xiàn)PGA之間的互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高效的自動化流程、優(yōu)化的性能和可靠的穩(wěn)定性，還需要滿足國產(chǎn)化和可擴展性的要求，才能幫助芯片公司在激烈的市場競爭中脫穎而出。這些都對當(dāng)前的原型驗證提出了更高的要求，也帶來了前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。
　　
　　01
　　
　　大規(guī)模SoC原型驗證技術(shù)的挑戰(zhàn)
　　
　　高性能
　　
　　軟件開發(fā)團(tuán)隊的目標(biāo)是在平臺上盡早進(jìn)行軟件開發(fā)，確保驗證的軟件能快速移植到實際芯片上，性能達(dá)到測試需求（10MHz以上）。這意味著原型驗證平臺不僅要準(zhǔn)確模擬最終芯片的行為，還要提供與實際硬件一致的環(huán)境，確保開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)的問題不會在最終產(chǎn)品中重現(xiàn)。這對平臺的準(zhǔn)確性和兼容性提出了高要求，主要挑戰(zhàn)在于保持模擬環(huán)境與實際硬件的一致性，并在較低頻率下進(jìn)行高效調(diào)試和驗證。
　　
　　大規(guī)模設(shè)計分割
　　
　　由于大規(guī)模復(fù)雜SoC設(shè)計規(guī)模龐大，將設(shè)計映射到由多個FPGA組成的網(wǎng)絡(luò)，即設(shè)計分割。如何自動化、高性能并加速實現(xiàn)大規(guī)模原型驗證系統(tǒng)？要做好設(shè)計分割，關(guān)鍵就在于解決并行綜合、并行編譯、自動化編譯、增量編譯、RTL自動分割和自動化管腳復(fù)用TDM IP等技術(shù)點。
　　
　　首先是設(shè)計綜合時間長。對于幾億甚至數(shù)十億門的SoC設(shè)計，如果將整個設(shè)計映射到FPGA進(jìn)行綜合，時間可能長達(dá)數(shù)天或數(shù)周。這對于需要頻繁修改代碼的用戶來說是不可接受的。因此，需要采用并行綜合的方法。
　　
　　再者就是編譯時間長。面對特別大的設(shè)計規(guī)模，編譯時間過長不僅會延緩開發(fā)進(jìn)度，還會影響設(shè)計的迭代和優(yōu)化。具體而言，開發(fā)者需要等待編譯完成，無法快速進(jìn)行下一步操作，降低了工作效率；每次修改代碼后都需要長時間等待編譯結(jié)果，限制了設(shè)計的快速迭代和優(yōu)化；長時間的編譯需要占用大量計算資源和時間，增加了項目的成本和資源消耗。這就需要采用并行編譯、全自動編譯和增量編譯等方法。
　　
　　其次是RTL級分割。使用RTL分割工具對大規(guī)模SoC設(shè)計進(jìn)行分析和資源估算，然后分層分割為多個以目標(biāo)FPGA為頂層的RTL模塊，并行綜合這些模塊以縮短時間。雖然RTL級自動分割能顯著減少工作量，但其實現(xiàn)難點在于分割算法的效率和精度。市場上供應(yīng)商的分割算法成熟度不一，面對更復(fù)雜和大規(guī)模設(shè)計時，仍需不斷改進(jìn)。
　　
　　最后是時分復(fù)用（TDM）技術(shù)的挑戰(zhàn)。TDM通過在不同時間段內(nèi)共享同一物理資源，提高資源利用率。在原型驗證中，TDM可以用于復(fù)用FPGA管腳，從而減少對FPGA資源的需求。這對于高密度設(shè)計尤為重要，能有效應(yīng)對有限的FPGA資源限制，確保設(shè)計能夠正確映射并運行。
　　
　　基于高速收發(fā)器（Transceiver）IO的管腳時分復(fù)用（TDM）IP有兩種分割模式：
　　
　　自動化分割模式：使用專門的軟件進(jìn)行大規(guī)模SoC設(shè)計的自動化分割，并利用FPGA的Transceiver IO實現(xiàn)單拍傳輸?shù)腡DM IP。這種方式省時省力，但帶來的性能開銷使分割后的系統(tǒng)最高只能工作在20MHz左右，無法滿足某些大規(guī)模芯片設(shè)計的原型驗證速度需求。
　　
　　總線協(xié)議分割模式：基于FPGA之間的Transceiver IO進(jìn)行總線協(xié)議分割。分割后的系統(tǒng)時鐘能工作在幾十MHz到100MHz以上，滿足高性能需求。但這種方式要求FPGA之間的分割邊界只能是總線接口，且用戶需要手動例化Transceiver接口IP設(shè)計。
　　
　　這兩種分割模式各有優(yōu)缺點。自動化分割模式更省時省力，但性能有限；總線協(xié)議分割模式性能更高，但只能在限定環(huán)境下使用。如何結(jié)合先進(jìn)的分割算法和TDM技術(shù)，顯著提高SoC設(shè)計的驗證效率，是許多商用原型驗證供應(yīng)商的關(guān)鍵技術(shù)競爭點。
　　
　　完整工具鏈支持
　　
　　完善的工具鏈?zhǔn)强s短實現(xiàn)周期、減輕團(tuán)隊負(fù)擔(dān)的關(guān)鍵，包含協(xié)同仿真軟件、遠(yuǎn)程訪問與管理、多用戶模式等。不成熟的工具會導(dǎo)致團(tuán)隊花費大量時間在調(diào)試上，并可能導(dǎo)致頻繁的錯誤和不準(zhǔn)確的分割結(jié)果，從而延長開發(fā)時間和浪費資源。只有具備這些特性的自動化工具鏈，才能滿足現(xiàn)代芯片設(shè)計和驗證的需求，顯著提高生產(chǎn)力和工作效率。
　　
　　豐富的外設(shè)子卡方案
　　
　　為了更好地支持軟硬件聯(lián)合開發(fā)，原型驗證平臺需要配備特殊的高速外圍接口，如DDR4、USB 3.0和PCIe Gen5等，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和交互。選擇BYO（Build Your Own）的開發(fā)團(tuán)隊自行設(shè)計子卡，會增加調(diào)試的不確定性和調(diào)試周期。高速接口的調(diào)試通常消耗大量人力資源，很多問題只能依靠調(diào)試經(jīng)驗解決，費時費力且效果不佳。此外，一些Memory控制器IP由于缺乏FPGA廠商提供的PHY解決方案，無法在原型驗證系統(tǒng)中正常運行，增加了設(shè)計驗證的風(fēng)險。
　　
　　因此，原型驗證平臺需要提供豐富的外設(shè)子卡方案，支持多種高速接口，并確保其性能穩(wěn)定，以減少開發(fā)團(tuán)隊的工作量，提高調(diào)試效率，確保SoC設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　
　　調(diào)試與觀測
　　
　　大規(guī)模設(shè)計調(diào)試是原型驗證領(lǐng)域又一挑戰(zhàn)，當(dāng)用戶的待驗證 SoC 設(shè)計下載到原型驗證系統(tǒng)無法正常運行的時候，開發(fā)人員需要有效的調(diào)試方案來排查故障的原因。開發(fā)人員需要有效的軟件調(diào)試和觀測工具，以快速定位和解決問題。
　　
　　強大的調(diào)試工具包括邏輯分析儀（ILA）、協(xié)議分析儀和實時監(jiān)控工具等。這些工具必須能夠與原型驗證平臺無縫集成，提供實時的調(diào)試信息和可視化的數(shù)據(jù)分析功能。此外，還需要支持遠(yuǎn)程調(diào)試，以便在不同地理位置的團(tuán)隊之間進(jìn)行協(xié)作。主要挑戰(zhàn)在于如何在不影響系統(tǒng)性能的情況下，提供詳盡的調(diào)試信息，以及設(shè)計直觀高效的調(diào)試界面。確保這些工具能夠快速、準(zhǔn)確地反饋系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，以便開發(fā)人員及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題。
　　
　　雖然用戶可以用 FPGA 廠商提供的 ILA 進(jìn)行多 FPGA 的級聯(lián)調(diào)試，但是也存在著諸如用戶邏輯資源占用，存儲深度，Probe 數(shù)量及多FPGA 的 Trigger 信號觸發(fā)的使用場景限制。為了滿足用戶以上的高密原型驗證系統(tǒng)調(diào)試場景需求，用戶需要有更強大的調(diào)試方案支持對大型 SoC 設(shè)計進(jìn)行全系統(tǒng)的調(diào)試，利用最少的資源，完成多顆FPGA 的并行深度調(diào)試。
　　
　　平臺穩(wěn)定性&產(chǎn)品方案
　　
　　從項目角度來看，選擇商用原型驗證平臺需要根據(jù)設(shè)計規(guī)模確定合適的容量，滿足各種項目需求。該平臺必須實現(xiàn)全芯片設(shè)計和驗證，具備穩(wěn)定、可靠的性能，能執(zhí)行長時間、不間斷的硬件壓力測試。此外，供應(yīng)商應(yīng)有豐富的產(chǎn)品選擇，大量現(xiàn)貨供快速交付，以及有效的供應(yīng)鏈管理，能夠快速響應(yīng)客戶需求，提供全面的技術(shù)支持，包括快速響應(yīng)的FAE服務(wù)。國外廠商可能無法提供本地化服務(wù)，而新興供應(yīng)商往往缺乏客戶積累和成熟的售后支持團(tuán)隊。
　　
　　02
　　
　　Prodigy芯神瞳原型驗證解決方案
　　
　　思爾芯的Prodigy芯神瞳提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，配備完整的工具鏈，以及豐富的外設(shè)接口子卡、內(nèi)存模型、降速橋方案等，提升驗證效率，縮短芯片的驗證周期。其設(shè)計分割后的性能高達(dá)20-50MHz，單機可達(dá)500MHz，滿足多種復(fù)雜SoC驗證需求，適用于架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)、全系統(tǒng)驗證和回歸測試等多個應(yīng)用場景。思爾芯在軟件功能和子卡方面不斷加大投入，特別是針對RTL邏輯分割、子卡開發(fā)和復(fù)用等復(fù)雜問題，Prodigy芯神瞳采用多種調(diào)試手段，時序驅(qū)動的RTL級分割算法和內(nèi)置的增量編譯算法，為工程師提供強有力的支持。
　　
　　時序驅(qū)動的RTL分割，實現(xiàn)全自動編譯
　　
　　思爾芯的Prodigy芯神瞳支持時序驅(qū)動的RTL分割，提供高速且穩(wěn)定的通用Serdes TDM IP，能夠處理大型IP設(shè)計，支持高達(dá)25Gbps的分割速率和8K:1的時分復(fù)用比。它還支持并行編譯、分布式編譯、全自動編譯和增量編譯，大大減輕了團(tuán)隊的負(fù)擔(dān)。
　　
　　具體而言，在多片系統(tǒng)中，大規(guī)模設(shè)計分割對于確保復(fù)雜ASIC設(shè)計能夠高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行原型驗證至關(guān)重要。思爾芯的Prodigy芯神瞳通過先進(jìn)的增量編譯和TDM時分復(fù)用等技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化了分割的效率和性能。其時序驅(qū)動的RTL級分割算法能夠自動處理分割后設(shè)計中的TDM插入問題，實現(xiàn)全自動的分割編譯流程。這一過程不僅簡化了設(shè)計分割，還通過內(nèi)置的增量編譯算法功能提供了更快的設(shè)計迭代和錯誤排查能力，使設(shè)計工程師能夠更高效地評估和驗證設(shè)計改動，從而直接提升系統(tǒng)的整體性能。
　　
　　此外，思爾芯提供了Chiplink作為AXI總線的分割方案，可為Arm、RISC-V等外置支持方案提供了更高效的解決方案。思爾芯的低延遲Chiplink AXI IP方案支持高達(dá)1024位寬的AXI DATA位寬，并能在每個Bank支持最多4組AXI協(xié)議，同時提供多種可配置的Serdes線速率，顯著提升了多核處理器和AXI周邊設(shè)備的速度和性能。
 
　　
　　圖為Prodigy 芯神瞳RTL級設(shè)計分割流程
　　
　　通過這些先進(jìn)的工具和功能，思爾芯不斷簡化驗證過程，提高設(shè)計效率，確保用戶能夠快速且準(zhǔn)確地完成驗證任務(wù)。
　　
　　多種調(diào)試手段，可遠(yuǎn)程管理和調(diào)試
　　
　　Prodigy芯神瞳提供了一系列靈活且高效的調(diào)試手段，使得遠(yuǎn)程管理和調(diào)試變得簡單高效。它支持多配置方式、實時硬件監(jiān)控、遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制和硬件自檢測等功能。尤其是基于網(wǎng)絡(luò)的AXI Transactor，允許遠(yuǎn)程通過網(wǎng)絡(luò)訪問和控制連接到AXI接口的設(shè)備。這對于遠(yuǎn)程調(diào)試和測試非常有用，可以在不同地點對硬件進(jìn)行操作和監(jiān)控。此外，思爾芯還提供了MDM Pro調(diào)試解決方案，提供最高125MHz的采樣頻率和最大64GB的波形存儲容量，能有效解決原型驗證中多FPGA的協(xié)同調(diào)試問題。
　　
　　豐富的產(chǎn)品配置與容量
　　
　　在硬件方面，Prodigy芯神瞳原型驗證解決方案具備豐富多樣的產(chǎn)品配置，適用于小、中、大等各種規(guī)模設(shè)計，比如：
 
　　
　　邏輯模塊 Logic Module（LM）-采用輕便型的單板結(jié)構(gòu)和外設(shè)接口，單機器3M~116M ASIC gates。通過支持高速 I/O 連接器互連實現(xiàn)高可擴展性和高可重用性，為用戶在多個項目之間快速切換和重復(fù)使用提供了便利。
　　
　　邏輯系統(tǒng) Logic System（LS）-桌面級原型驗證系統(tǒng)，單機器14M~400M ASIC gates，。采用高度模塊化及一體化的設(shè)計，提供高靈活性和優(yōu)良性能，是中小型設(shè)計項目的理想選擇。
　　
　　邏輯矩陣 Logic Matrix（LX）-適用于超大規(guī)模芯片設(shè)計與驗證的企業(yè)級高密原型驗證產(chǎn)品，單機器232M~392M ASIC gates。成熟的多板級聯(lián)方案使其具有易于超大規(guī)模邏輯擴展特性，客戶端已成功部署百億門級系統(tǒng)。
　　
　　90多種子卡，實現(xiàn)快速部署
　　
　　Prodigy芯神瞳還提供多種子卡和參考設(shè)計，使用戶能夠快速實現(xiàn)所需的I/O接口和外圍設(shè)備，實現(xiàn)快速部署原型環(huán)境。Prodigy芯神瞳外置應(yīng)用庫具有以下優(yōu)勢：覆蓋率高，90多種子卡和配件覆蓋主流應(yīng)用領(lǐng)域；實用性強，現(xiàn)成的解決方案加速系統(tǒng)原型驗證。多種模塊類別可供選擇：Arm處理器接口模塊、嵌入式和多媒體模塊、通用擴展模塊、通用接口模塊、高速GT接口模塊、存儲模塊等。
 
　　
　　產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，全球客戶600+
　　
　　思爾芯自2004年在上海成立以來，一直聚焦于數(shù)字前端EDA領(lǐng)域，并且是業(yè)內(nèi)最早開發(fā)原型驗證工具的企業(yè)之一。自2005年推出第一款原型驗證產(chǎn)品起，思爾芯持續(xù)推出了八代產(chǎn)品，經(jīng)過多次迭代，在材質(zhì)、架構(gòu)、系統(tǒng)以及高速PCB仿真技術(shù)等方面的不斷優(yōu)化下，思爾芯已成為加快軟件開發(fā)和芯片設(shè)計驗證的優(yōu)選解決方案。
　　
　　憑借20年的技術(shù)積累，Prodigy芯神瞳已成為市場認(rèn)可的成熟產(chǎn)品，滿足了不斷演進(jìn)的原型驗證需求，并補充了諸多獨特的產(chǎn)品功能。如今，思爾芯的產(chǎn)品因其成熟和質(zhì)量穩(wěn)定，獲得了全球600多家客戶的認(rèn)可和使用。作為國產(chǎn)EDA的代表企業(yè)，思爾芯以其快速響應(yīng)能力贏得了客戶的信任和支持，多年來客戶對產(chǎn)品的認(rèn)可已超過三大家，已成為該領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)桿。
　　
　　關(guān)于思爾芯 S2C
　　
　　思爾芯（S2C）自 2004 年設(shè)立上?？偛恳詠硎冀K專注于集成電路 EDA 領(lǐng)域。作為國內(nèi)首家數(shù)字 EDA 供應(yīng)商，公司業(yè)務(wù)已覆蓋架構(gòu)設(shè)計、軟件仿真、硬件仿真、原型驗證、數(shù)字調(diào)試、EDA 云等工具及服務(wù)。已與超過 600 家國內(nèi)外企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系，服務(wù)于人工智能、高性能計算、圖像處理、數(shù)據(jù)存儲、信號處理等數(shù)字電路設(shè)計功能的實現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G 通信、智慧醫(yī)療、汽車電子等終端領(lǐng)域。
　　
　　公司總部位于上海，并建立了全球化的技術(shù)研發(fā)與市場服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，在北京、深圳、西安、香港、東京、首爾及圣何塞等地均設(shè)有分支機構(gòu)或辦事處。
　　
　　思爾芯在 EDA 領(lǐng)域的技術(shù)實力受到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，通過多年耕耘，已在數(shù)字前端 EDA 領(lǐng)域構(gòu)筑了技術(shù)與市場的雙優(yōu)勢地位。并參與了我國 EDA 團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定，承擔(dān)了多項國家及地方重大科研項目，獲國家級專精特新“小巨人”企業(yè)、國家工業(yè)軟件優(yōu)秀產(chǎn)品、上海市級企業(yè)技術(shù)中心等多項榮譽資質(zhì)。
　　
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