詳解原型驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展史

1.SoC原型驗(yàn)證：不可或缺的一環(huán)

隨著AI、5G等尖端技術(shù)的進(jìn)步，“萬物互聯(lián)”的愿景正逐步成為現(xiàn)實(shí)，為人們帶來更便捷的生活方式，激發(fā)著無盡的應(yīng)用可能性。這不僅加速了芯片設(shè)計(jì)行業(yè)的變革，而且提出了更高的設(shè)計(jì)要求。摩爾定律表明，盡管芯片尺寸在縮小，但其上的晶體管數(shù)量正快速增長(zhǎng)。如此高的集成度要求更大規(guī)模的SoC（System-on-Chip）設(shè)計(jì)，并對(duì)EDA工具的需求日增。

流片作為芯片設(shè)計(jì)成功的必經(jīng)階段，也是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)極高的過程。一個(gè)細(xì)小的設(shè)計(jì)失誤不僅可能導(dǎo)致昂貴的經(jīng)濟(jì)損失，還可能使整個(gè)產(chǎn)品錯(cuò)失市場(chǎng)窗口，給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。流片失敗的原因有很多，其中邏輯或功能上的錯(cuò)誤幾乎占所有因素的50%。而設(shè)計(jì)錯(cuò)誤又占整個(gè)功能缺陷的50%~70%，成工程師們的頭號(hào)大敵。因此，驗(yàn)證是SoC設(shè)計(jì)決定成敗的關(guān)鍵。但SoC驗(yàn)證極其復(fù)雜，約占整個(gè)研發(fā)時(shí)間的70%。想要縮減開發(fā)周期，必須將系統(tǒng)軟件開發(fā)驗(yàn)證和投片前驗(yàn)證并行，這使得原型驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超過其他。

對(duì)于大型SoC設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的軟件仿真方法常常因運(yùn)行速度不足而成為瓶頸。于是，原型驗(yàn)證和硬件仿真成為兩大主流的驗(yàn)證手段，其中尤以原型驗(yàn)證因其高速性能而日益受到重視。與軟件仿真相比，原型驗(yàn)證的速度快數(shù)千至數(shù)百萬倍，而與硬件仿真相比，原型驗(yàn)證成本更低，速度更快，成為可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)有效的選擇，已經(jīng)成為驗(yàn)證復(fù)雜SoC必不可缺的EDA工具。

原型驗(yàn)證通常是基于FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)镕PGA可構(gòu)造出和數(shù)字集成電路功能一樣的原型驗(yàn)證系統(tǒng)，從而驗(yàn)證邏輯功能的正確性，成為前端驗(yàn)證的首選方法。過去，工程師們通常依賴手動(dòng)搭建的原型驗(yàn)證平臺(tái)。然而，這種方法在多FPGA和高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)環(huán)境下變得難以維護(hù)和擴(kuò)展。其中手動(dòng)分割、邏輯分配以及多FPGA之間的接口設(shè)計(jì)是一個(gè)異常耗時(shí)且錯(cuò)誤率高的過程。在高度復(fù)雜的SoC設(shè)計(jì)中，單純依靠人工手段進(jìn)行原型驗(yàn)證難以保證項(xiàng)目的時(shí)效性和質(zhì)量。這種局限性不僅耗盡了大量的人力和物力，更增加了項(xiàng)目延期和成本超支的風(fēng)險(xiǎn)。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，才有了商業(yè)原型驗(yàn)證解決方案的誕生。

2.商用原型驗(yàn)證工具的誕生

1992年，Aptix公司——這家被視為原型驗(yàn)證工具的先驅(qū)，推出了名為System Explorer的系統(tǒng)，利用FPGA及自創(chuàng)的互聯(lián)芯片實(shí)現(xiàn)了商用原型驗(yàn)證工具。接下來的幾年，諸如多倫多大學(xué)的Transmogrifier-l、北卡州立大學(xué)的AnyBoard、斯坦福大學(xué)的Protozone以及加州大學(xué)圣克魯斯分校的BORG等項(xiàng)目，開始探索如何在小型原型驗(yàn)證板上實(shí)現(xiàn)HDL芯片設(shè)計(jì)。

這些項(xiàng)目為后來的驗(yàn)證探索了多種可能性，盡管這些嘗試還未完全準(zhǔn)備好大規(guī)模商業(yè)化，但Aptix的成功給了其他供應(yīng)商很大的啟示，并激發(fā)了更多公司進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。盡管Aptix公司如今已消失在之后的并購(gòu)浪潮中，但其在芯片驗(yàn)證方法學(xué)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)仍然具有重要的歷史意義和價(jià)值。

2003年，林俊雄先生在EDA行業(yè)面臨重大變革之際，離開了Aptix并創(chuàng)立了思爾芯（S2C）。這一大膽的決策預(yù)示著新時(shí)代的到來。*[1]*他選擇在美國(guó)硅谷的核心地區(qū)——加利福尼亞的圣何塞成立公司，并在第二年迅速在上海建立了總部和第一個(gè)研發(fā)中心。[2]當(dāng)時(shí)的中國(guó)在EDA領(lǐng)域還是一片荒漠，思爾芯集結(jié)了EDA精英，深耕中國(guó)這個(gè)巨大的潛在市場(chǎng)。不久便在2005年的DAC上推出了其首款原型驗(yàn)證產(chǎn)品，名為IP Porter，很快又迭代出了成熟可商用的Prodigy芯神瞳系列產(chǎn)品。

同一時(shí)期，在全球其他公司也開始在原型驗(yàn)證領(lǐng)域探索。例如，美國(guó)的Dini Group在1998年推出了其第一款商業(yè)FPGA原型驗(yàn)證板，名為DN250k10。這款產(chǎn)品基于6顆Xilinx XC4085 FPGA，為芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了一種靈活且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。另一方面，瑞典的小企業(yè)HARDI Electronics AB在2000年也推出了基于Xilinx Virtex FPGA的首款原型驗(yàn)證系統(tǒng)——HAPS。但這些產(chǎn)品還需要工程師大量的手動(dòng)搭建原型驗(yàn)證環(huán)境。

3.迅猛發(fā)展源于EDA公司的激烈競(jìng)爭(zhēng)

2008年，美國(guó)公司 Synopsys以2.27億美元的價(jià)格兼并了Synplicity[3]，進(jìn)入了原型驗(yàn)證市場(chǎng)。也代表了原型驗(yàn)證進(jìn)入了一個(gè)快速增長(zhǎng)且激烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。Synopsys花了接近4年的時(shí)間才真正完成技術(shù)整合并發(fā)布了HAPS-70系列，是真正的自動(dòng)化原型驗(yàn)證產(chǎn)品。[4]之前的驗(yàn)證市場(chǎng)多以軟件仿真與硬件仿真為主，自Synopsys購(gòu)買之后，原型驗(yàn)證的市場(chǎng)正好飛速發(fā)展，成為主流必備的驗(yàn)證產(chǎn)品。

Cadence也參與其中。Cadence專注于設(shè)計(jì)自己的FPGA開發(fā)板，但一直做得并不順利，直到Cadence在2010年3月收購(gòu)了Taray及其解決方案中的FPGA設(shè)計(jì)。因?yàn)門aray開創(chuàng)了路由感知管腳分配綜合的先河，將其與電路板一起優(yōu)化了一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)，這將有助于設(shè)計(jì)一個(gè)原型驗(yàn)證平臺(tái)。有段時(shí)間，Cadence和Dini Group合作研發(fā)原型驗(yàn)證Protium產(chǎn)品。最終，Dini Group卻在2019年12月5日被“屢屢不夠”的Synopsys收購(gòu)[5]。如今的Cadence專注完善其原型驗(yàn)證產(chǎn)品和硬件仿真產(chǎn)品之間的銜接流程，實(shí)現(xiàn)兩者的快速相連。

西門子EDA（在2016年收購(gòu)了Mentor Graphics）在原型驗(yàn)證方面經(jīng)歷了一段曲折的歷程。該公司在1990年代末從Aptix獲得了仿真技術(shù)許可，但隨后遇到了一系列挑戰(zhàn)，發(fā)展曾一度陷入停滯。之后，為了提升在原型驗(yàn)證中的時(shí)序驅(qū)動(dòng)和多FPGA分割能力，西門子EDA分別收購(gòu)了Auspy和法國(guó)的Flexras Technologies，后者擁有“Wasga自動(dòng)分割軟件”[6]。2021年6月西門子EDA又收購(gòu)了PRO DESIGN 的 proFPGA 產(chǎn)品系列[7]，西門子EDA終于在原型驗(yàn)證領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)品和技術(shù)的全面加強(qiáng)。

除了一些EDA主要廠商，國(guó)內(nèi)一些較小型的供應(yīng)商也開始提供低成本解決方案。國(guó)內(nèi)亞科鴻禹成立于2009年，原型驗(yàn)證產(chǎn)品為VeriTiger。另一家華桑電子2014年正式開啟自有品牌PHINE Design系列原型驗(yàn)證產(chǎn)品的研發(fā)和銷售，至今已推出第四代產(chǎn)品。這些都是國(guó)內(nèi)較小供應(yīng)商，他們也在深耕這一領(lǐng)域，但整體來說市場(chǎng)規(guī)模并不大。2020年后，在“國(guó)產(chǎn)化”的大背景下，又有新興公司如合見工軟，芯華章通過并購(gòu)和自研，快速進(jìn)入原型驗(yàn)證市場(chǎng)。

4.原型驗(yàn)證工具的幾大挑戰(zhàn)及解決方案

在三十多年的漫長(zhǎng)歲月中，原型驗(yàn)證技術(shù)實(shí)現(xiàn)了顯著的進(jìn)步。自從Aptix 的System Explorer產(chǎn)品亮相，原型驗(yàn)證就為芯片設(shè)計(jì)賦予了無與倫比的靈活性和效率。

隨著千禧年的到來，硬件與軟件的深度定制帶來了原型驗(yàn)證的新挑戰(zhàn)與機(jī)遇，使其在芯片設(shè)計(jì)中的地位更加堅(jiān)固。隨后，國(guó)際上的三巨頭以及像思爾芯這樣的原型驗(yàn)證供應(yīng)商加入了戰(zhàn)局。他們通過策略性收購(gòu)和技術(shù)創(chuàng)新，使原型驗(yàn)證系統(tǒng)更加繁榮，滿足了市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。

面對(duì)芯片設(shè)計(jì)的日益增加的復(fù)雜性和對(duì)原型驗(yàn)證更為嚴(yán)格的要求，原型驗(yàn)證領(lǐng)域出現(xiàn)了許多創(chuàng)新解決方案。這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)變得越來越專業(yè)化，需要高度的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來處理設(shè)計(jì)的分割、映射、與外部環(huán)境的接口與通信、調(diào)試及性能優(yōu)化等諸多問題。因此，這也使得原型驗(yàn)證成為一個(gè)高壁壘的技術(shù)領(lǐng)域，僅有少數(shù)EDA公司能在這一領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位，有些甚至需要不斷“并購(gòu)”才能夠在此領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位的原因。

思爾芯作為原型驗(yàn)證領(lǐng)域的翹楚，對(duì)于多FPGA的RTL邏輯的分割、多片F(xiàn)PGA之間的互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、IO分配以及高速接口等，推出了時(shí)序驅(qū)動(dòng)的RTL級(jí)分割算法和內(nèi)置的增量編譯算法功能來應(yīng)對(duì)這些問題；也不斷推出新的硬件配置，例如支持更多的FPGA和提供更高的性能連接器，確保其技術(shù)始終處于行業(yè)前沿。還通過不斷的技術(shù)迭代和服務(wù)體系建設(shè)，穩(wěn)定其在快速發(fā)展的市場(chǎng)中的地位，同時(shí)也提供了強(qiáng)大的供貨能力。

如今，思爾芯已積累了20年的產(chǎn)品和市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，成為中國(guó)最早涉足原型驗(yàn)證研究與銷售的領(lǐng)軍企業(yè)，也是最早的國(guó)產(chǎn)數(shù)字EDA公司。根據(jù) CSIA 2020統(tǒng)計(jì)，思爾芯原型驗(yàn)證方案中國(guó)市場(chǎng)份額超過 50%，在國(guó)內(nèi)排名第一。它可謂是接過了Aptix的接力棒，奔跑在中國(guó)原型驗(yàn)證的前沿，如今已穩(wěn)坐這一領(lǐng)域的寶座。近期，該公司成功發(fā)布了其第八代原型驗(yàn)證系統(tǒng)——芯神瞳S8-40。

在這些公司的共同努力之下，使得原型驗(yàn)證技術(shù)日趨成熟。不僅大大提高了當(dāng)今芯片設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，還降低了整體芯片開發(fā)成本。同時(shí)，通過這些先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更靈活地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，從而保持競(jìng)爭(zhēng)力?？梢哉f原型驗(yàn)證技術(shù)的成熟和普及，為全球的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來了強(qiáng)大的支持和無數(shù)的便利，推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

來源：半導(dǎo)體芯聞

審核編輯：湯梓紅