數字仿真器（Simulator）是一種大型EDA工業(yè)軟件，是數字驗證領(lǐng)域的基礎工具之一，也是為數不多的簽核（sign-off）級工具。其實(shí)歷史上第一款 EDA 軟件SPICE，就是從仿真開(kāi)始的?？梢哉f(shuō)，EDA軟件從誕生之日起，就帶著(zhù)強烈的仿真基因。因此，如果沒(méi)有一款獨立自主的數字仿真器，國產(chǎn)EDA實(shí)現對國外工具壟斷的打破就無(wú)從談起。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202303/444725.htm
目前，行業(yè)主流的仿真器，諸如VCS，Xcelium, Questa等，都是國外EDA大廠(chǎng)花了數十年的時(shí)間開(kāi)發(fā)、迭代而來(lái)的。這些軟件內部設計極其復雜、代碼量巨大，單單維護的團隊人數就可達數百人甚至上千人。由此可見(jiàn)，數字仿真器技術(shù)開(kāi)發(fā)難度之大。
合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于累土。2021年11月，國內系統級驗證EDA解決方案提供商芯華章發(fā)布了首款數字仿真器產(chǎn)品穹鼎GalaxSim，并得到中科院半導體、芯來(lái)科技等用戶(hù)一線(xiàn)項目部署。GalaxSim在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，結合國產(chǎn)EDA的迫切需求，選擇了合適的技術(shù)路線(xiàn)、開(kāi)發(fā)模式，依托研發(fā)團隊的豐富EDA經(jīng)驗及高效的工作，站在更高的技術(shù)起點(diǎn)上，用幾年的時(shí)間正在追趕國外幾十年的路。
現在我們梳理實(shí)踐所得和淺見(jiàn)，希望與行業(yè)同仁進(jìn)行分享交流，幫助志在推動(dòng)國內EDA數字仿真器進(jìn)步的有志之士，提供一些可能的啟發(fā)和參考，共同建立良好的EDA發(fā)展生態(tài)。
本篇我們將以穹鼎GalaxSim為例，展示一款商用級別的數字仿真器從0到1的開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括商用仿真器的技術(shù)指標、開(kāi)發(fā)模式、技術(shù)路線(xiàn)等方面。
數字仿真器在驗證中發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。判斷一款國產(chǎn)仿真器是否能真的商用，甚至可以與國際主流選擇的仿真器并駕齊驅, 一般要看它是否滿(mǎn)足以下四點(diǎn)硬性要求：全面的SystemVerilog語(yǔ)法覆蓋
SystemVerilog可以說(shuō)是最復雜的語(yǔ)言之一，而數字仿真器又是EDA工具中對SystemVerilog支持最全面的工具。
高精度
仿真器相對其他驗證工具，是sign-off級別的，因此要求仿真器必須嚴格按照事件驅動(dòng)型的算法進(jìn)行仿真調度，符合IEEE1800等標準。
高性能
仿真器的性能直接決定了用戶(hù)在驗證上的成本。假如某個(gè)優(yōu)化可以使仿真速度提高2x, 那可以使原本一個(gè)月完成的回歸測試縮短到二周，從而給客戶(hù)省掉很大的驗證支出。
高可靠性
作為大型工業(yè)軟件，仿真器的設計極其復雜。一款大型軟件，涉及到的模塊非常多，參與的開(kāi)發(fā)者也非常多。如何確保軟件質(zhì)量可控，在客戶(hù)的超大設計上能跑幾十小時(shí)，甚至幾周不出現故障，是考驗一個(gè)仿真器能否真正商用的重要指標之一。因此，作為用戶(hù)sign-off 的工具，仿真器的故障率必須極低。即使出現故障，也能在很短的時(shí)間內排查并修復。
2.開(kāi)發(fā)模式的選擇：瀑布式開(kāi)發(fā)VS敏捷開(kāi)發(fā)
編譯型數字仿真器的原理如上圖所示，它從verilog source到最終機器碼生成，中間經(jīng)歷了多個(gè)環(huán)節。它既具備了Compiler的特點(diǎn)，同時(shí)又是一個(gè)數字電路仿真器。它集成了多種底層技術(shù)，涉及編譯、算法、圖論等知識。盡管從概念上，我們可以把這個(gè)過(guò)程分解成不同的階段，但是在實(shí)際實(shí)現上，我們其實(shí)很難單獨把某一塊抽出來(lái)。以parser/elaboration階段為例，這個(gè)階段需要把RTL的語(yǔ)法解析出來(lái)。從功能上，它和后面的階段是不同的。然而，如果把它作為一個(gè)模塊獨立開(kāi)發(fā)，就會(huì )面臨無(wú)法測試的困難。因為有些elaboration的結果，需要到了runtime階段才可能測出是否正確。軟件開(kāi)發(fā)有兩種模式，一種是傳統的瀑布式模式，把一個(gè)軟件劃分成若干模塊。每個(gè)模塊都定義好spec，然后分配給各個(gè)團隊開(kāi)發(fā)；到了一定節點(diǎn)，再進(jìn)行聯(lián)調。另一種是敏捷開(kāi)發(fā)，就是快速將flow打通，進(jìn)行不停地迭代，就像生物界胚胎的成長(cháng)一樣，逐步將軟件迭代成熟。上圖給出了兩種不同模式的區別。由于Simulator涉及到的環(huán)節非常多，有很多任務(wù)是有依賴(lài)關(guān)系的，只能串行開(kāi)展。如果按照傳統的模式，不僅完成所有任務(wù)的總時(shí)間會(huì )變得很長(cháng)，它還會(huì )導致最后聯(lián)調的時(shí)間非常的不確定。因為很多模塊的耦合性很強，很多問(wèn)題需要等到最后所有模塊放在一起后才能發(fā)現。基于此，為了降低研發(fā)風(fēng)險，提高開(kāi)發(fā)效率，GalaxSim的開(kāi)發(fā)采用了敏捷開(kāi)發(fā)模式。在敏捷開(kāi)發(fā)模式下，每個(gè)任務(wù)可以不用一步到位，而是可以先做一個(gè)比較初級的版本，從v1開(kāi)始進(jìn)行迭代，直到vN。完成每個(gè)迭代的時(shí)間，是大大短于完成整個(gè)任務(wù)的時(shí)間的。這樣，依賴(lài)于該任務(wù)的其他任務(wù)就可以提前開(kāi)展了。聯(lián)調階段的不確定也會(huì )大大降低，因為很多問(wèn)題都可以在前期階段暴露出來(lái)。通過(guò)敏捷開(kāi)發(fā)，芯華章的GalaxSim可以更合理地調配資源，并通過(guò)大量迭代，使得產(chǎn)品能達到商用要求。3. 技術(shù)路線(xiàn)的選擇：守正、創(chuàng )新
從0到1，開(kāi)發(fā)一款具備國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權的仿真器，肯定不能僅僅做一個(gè)me too的產(chǎn)品，需要有創(chuàng )新、超越。我們面臨的問(wèn)題是，做一個(gè)怎樣的仿真器，能在解決國產(chǎn)替代的基礎上，實(shí)現最終的超越？這里面既要守正，也要創(chuàng )新。何謂守正？創(chuàng )新的前提首先要先解決有無(wú)的問(wèn)題。上文提到，不管采用什么技術(shù)，仿真器都必須滿(mǎn)足四個(gè)指標：SystemVerilog、精度、性能、可靠性。因此，任何研發(fā)路線(xiàn)與技術(shù)的選擇，都必須滿(mǎn)足以上4個(gè)約束條件。與此同時(shí)，我們吸取主流數字仿真器的歷史研發(fā)教訓，針對國內使用環(huán)境進(jìn)行客制化創(chuàng )新。比如在SystemVerilog方面，很多主流仿真器的支持其實(shí)并不是一步到位完成的，而是在一系列并購后集成進(jìn)來(lái)的。GalaxSim在這方面，可以發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采用全新的設計框架，更好實(shí)現SystemVerilog的豐富語(yǔ)法，讓整個(gè)compile flow無(wú)縫對接，避免不斷“打補丁”帶來(lái)的技術(shù)冗余與滯澀，提供更完整、一體化的驗證解決方案。以性能為例，runtime是仿真器的一項重要技術(shù)指標。大多數國際主流仿真器在過(guò)去數十年都做了大量的工作。然而，compile time 也是性能的一部分。近5-10年，隨著(zhù)設計規模越來(lái)越大，compile time 也日益成為性能瓶頸。而且，compile time 和 run time常常是矛盾的。GalaxSim使用創(chuàng )新底層架構，在提高runtime性能的同時(shí)，兼顧了compile time的控制。敏捷開(kāi)發(fā)意味著(zhù)快速的軟件迭代。GalaxSim 的迭代歷程，比較類(lèi)似于一個(gè)胚胎的成長(cháng)過(guò)程。胚胎每一步的變化并不大（比如細胞分裂），然而，經(jīng)過(guò)足夠的變化，最終就會(huì )由量變到質(zhì)變，就像蝶變一樣。如何確保GalaxSim的迭代是按照我們設計的方向，而不會(huì )走偏呢？這里面，軟件的迭代又非常像生物的進(jìn)化，我們需要設計好一個(gè)目標（生存條件），以及一個(gè)進(jìn)化環(huán)境。根據前文所述，GalaxSim從0到1的第一階段目標，是要演變成一個(gè)至少滿(mǎn)足4個(gè)約束條件的仿真器。第一階段我們會(huì )以終為始，根據上文提到的四點(diǎn)對仿真器的硬性要求，分別制定多維度可量化的迭代目標，通過(guò)不斷的調試達成各項指標。如何確保軟件向著(zhù)我們設置的目標進(jìn)化，而不是走偏，進(jìn)化環(huán)境至關(guān)重要。芯華章的研發(fā)團隊為此專(zhuān)門(mén)搭建了一套內部CICD flow， 包含了回歸測試系統，這個(gè)系統包含了大量的測試用例，各種測試基準（benchmark）。GalaxSim在這些用例中的表現結果會(huì )被實(shí)時(shí)監控。尤其是性能方面，我們的系統引入了類(lèi)似銀行的記賬功能。每個(gè)研發(fā)環(huán)節導致的slowdown都會(huì )被記錄備案，每一筆帳都可以追溯。這些嚴苛的環(huán)境，確保了軟件最終的性能及質(zhì)量。值得一提的是，這套系統是我們在第一天就開(kāi)始著(zhù)手搭建的，與GalaxSim的核心代碼是同步開(kāi)發(fā)的。目前GalaxSim已經(jīng)在中科院半導體所、芯來(lái)科技等若干客戶(hù)的一線(xiàn)項目中得到應用，性能符合客戶(hù)預期。在未來(lái)，GalaxSim的進(jìn)化還會(huì )繼續，并擁抱更多的創(chuàng )新，最終實(shí)現國產(chǎn)數字仿真器的超越。接下來(lái)，我們將結合GalaxSim的具體性能表現、技術(shù)指標以及對數字仿真器主流技術(shù)趨勢的分析，繼續探討一款高性能、高精度的數字仿真器應該具備哪些技術(shù)特征。后續系列文章請大家關(guān)注、指導。獨木不成林，我們也期待行業(yè)的各位有志同仁，參與我們的討論，一起暢談國產(chǎn)數字仿真器發(fā)展之路。每一個(gè)寶貴的意見(jiàn)，我們都將認真對待！
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