存儲(chǔ)控制器系統(tǒng)級(jí)硬件仿真與原型驗(yàn)證性能

近期，來(lái)自 Kioxia 公司的 Ravi Tangirala 做了一個(gè)主題為存儲(chǔ)控制器系統(tǒng)級(jí)硬件仿真與原型驗(yàn)證性能的演講。他是 Kioxia America 公司（前東芝存儲(chǔ)，之后作為獨(dú)立公司被拆分）的驗(yàn)證總監(jiān)。

存儲(chǔ)控制器作為一種很“常見”的 SoC，是所有 NAND 閃存的接口。盡管近些年出現(xiàn)了 3D NAND，但從存儲(chǔ)控制器的角度而言其實(shí)沒帶來(lái)什么實(shí)質(zhì)變化。

驗(yàn)證過程的核心是綜合利用 Cadence Palladium Z1 企業(yè)級(jí)仿真平臺(tái)和 Cadence Protium X1 企業(yè)級(jí)原型驗(yàn)證平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件仿真和原型驗(yàn)證。

上方圖表展示了該團(tuán)隊(duì)的工作過程。圖中紅色線條逐漸上升及下降，反映的是 Palladium 在項(xiàng)目周期中的使用量變化。開始時(shí) Palladium 的使用并不多，因?yàn)?RTL 尚未完成。隨著設(shè)計(jì)的逐步完成，Palladium 使用量也隨之上升。

藍(lán)色陰影區(qū)代表了固件開發(fā)，開始時(shí)會(huì)使用 Palladium，當(dāng)設(shè)計(jì)足夠穩(wěn)定后就會(huì)轉(zhuǎn)用 Protium。Protium 的優(yōu)勢(shì)是具有比 Palladium 更快的軟件運(yùn)行速度；不足則是由于 FPGA 布局布線耗時(shí)較多，需要相對(duì)多些時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備版本。

所以在 RTL 穩(wěn)定前，Protium 并非固件團(tuán)隊(duì)的軟件開發(fā)人員的最佳選擇；可一旦 RTL 趨于穩(wěn)定，軟件人員就會(huì)更傾向于用 Protium 做軟件測(cè)試。

樣片回片后，軟件開發(fā)逐漸結(jié)束，Palladium 還會(huì)被用來(lái)分析樣片測(cè)試出的遺留問題。

Palladium 仿真

上圖展示了以 Palladium 為核心的完整驗(yàn)證環(huán)境案例，SoC 運(yùn)行在位于中心的仿真器內(nèi)，左側(cè)為實(shí)際主機(jī)（訪問閃存）和調(diào)試主機(jī)（訪問調(diào)試端口）。右側(cè)連接 DIMMS 上的實(shí)際閃存，其容量巨大，同時(shí)對(duì)仿真速度有要求，因而不適合直接放在仿真器里實(shí)現(xiàn)。

Host PC 機(jī)通過 SpeedBridge 硬件接口與 Palladium 連接，另一臺(tái)調(diào)試 PC 機(jī)與調(diào)試端口相連，而 DIMMS 上的 NAND 會(huì)直接與 Palladium 相連。

實(shí)際上，這個(gè)過程用到了 Palladium 的兩個(gè)操作模式：

TBA（Test Bench Acceleration）模式：應(yīng)用各種虛擬接口，比較適用于 RTL 早期驗(yàn)證過程。

ICE（In Circuit Emulation）模式：利用上圖中的真實(shí)物理接口，能夠達(dá)到最快的仿真速度，但不適用于對(duì)接口的直接驗(yàn)證。

Kioxia 總共部署了 6 臺(tái)服務(wù)器集群用于 Palladium 編譯。單次編譯可以在 3 小時(shí)內(nèi)完成，利用相關(guān)選項(xiàng)，12 小時(shí)內(nèi)可以完成 30 次迭代。當(dāng)然，這種方法在 RTL 穩(wěn)定后才可真正發(fā)揮作用。

如上方圖示，經(jīng)過時(shí)鐘優(yōu)化，核心功能時(shí)鐘可達(dá)到 373% 的性能提升。需要注意的是，這是仿真性能提升，而非指 SoC 自身時(shí)鐘頻率。

以 Palladium 為核心搭建起來(lái)的硬件仿真環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)端到端測(cè)試（在 PC 主機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用軟件可以訪問到實(shí)際的 NAND 存儲(chǔ)器）。

有了這樣的仿真平臺(tái)，我們可以運(yùn)行測(cè)量 I/O 吞吐率的硬盤應(yīng)用，以及測(cè)試硬盤在最差情況的運(yùn)行等等。因?yàn)闇y(cè)試時(shí)間需要足夠長(zhǎng)才能生成精確的度量數(shù)據(jù)，所以仿真平臺(tái)的整體性能就變得非常關(guān)鍵。上述以 Palladium 為核心的仿真平臺(tái)可以將 I/O 訪問速率提升 9 倍，并將啟動(dòng)時(shí)間和 NAND 擦除時(shí)間縮短 5.5 倍。

Protium 原型驗(yàn)證

固件開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)從 Palladium 至 Protium 的無(wú)縫切換，因?yàn)閮烧咴谇岸耸褂猛瑯拥木幾g器。上圖可以看出，Protium 和 Palladium 兩個(gè)平臺(tái)幾乎完全一樣，都使用同樣的 Speedbridge 和 I/O 卡。

動(dòng)態(tài)配對(duì)組合

利用 Palladium 和 Protium 聯(lián)合使用流程，RTL 可以按照上圖所示同時(shí)編譯給兩大平臺(tái)，使得客戶可以用 Palladium 實(shí)現(xiàn)高性能的硬件仿真，同時(shí)用 Protium 實(shí)現(xiàn)更高性能的固件開發(fā)。由于 Protium 的編譯和布局布線需要 15-24 小時(shí)，在設(shè)計(jì)足夠穩(wěn)定后，軟件開發(fā)者利用雙平臺(tái)的流程會(huì)更加高效。比如完成操作系統(tǒng)啟動(dòng)，保證軟件開發(fā)人員能夠調(diào)試各自的代碼。

小結(jié)

Palladium 應(yīng)用在項(xiàng)目初期，在性能加快 373% 同時(shí)，充分利用其強(qiáng)大的調(diào)試能力。

Protium 主要針對(duì)固件開發(fā)，仿真性能可以達(dá)到Palladium 的 4.6 倍。

可以利用 QTDB 實(shí)現(xiàn) Palladium 與 Protium 的快速無(wú)縫遷移。

原文標(biāo)題：【成功案例】如何利用 Palladium 和 Protium 進(jìn)行早期固件開發(fā)

文章出處：【微信公眾號(hào)：Cadence楷登】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq