AI驅(qū)動的國產(chǎn)硬件仿真芯神鼎如何加速超大規(guī)模芯片設計

近年來，5G、自動駕駛、超大規(guī)模計算，以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領域呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。推動這些高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)是AI（人工智能）和ML（機器學習）的大規(guī)模應用。這種全新的技術布局不僅加速了更復雜的計算需求、更強的功能性和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，同時也為芯片研發(fā)人員帶來了前所未有的挑戰(zhàn)：即下一代芯片必須更快且更智能。

在當前的背景下，由于算力和存儲需求正面臨爆發(fā)式增長，這直接導致推動先進SoC（系統(tǒng)級芯片）設計和驗證的壓力也呈指數(shù)級增加。特別是在集成電路規(guī)模越來越龐大的現(xiàn)實情況下，從設計到流片（Tape-out）的全流程中，驗證變得尤為重要。這是因為有效的驗證不僅確保了電路在設計層面的完善，還保證了其在實際應用中的穩(wěn)定運行，從而降低了修正和調(diào)整的成本和時間。

為了應對這一挑戰(zhàn)并縮短驗證周期，硬件仿真成為了超大規(guī)模集成電路驗證的首選工具。它能在最短的時間內(nèi)完成對電路功能的全面驗證，這樣就大大減少了整個設計到生產(chǎn)的周期。同時，AI/ML算力的飛速增長不僅促進了EDA（電子設計自動化）工具的快速演進，還與EDA工具結(jié)合，催生了一種“雙向加速”的良性循環(huán)。

去年年底，思爾芯推出了首款國產(chǎn)企業(yè)級硬件仿真系統(tǒng)——芯神鼎OmniArk。值得一提的是，芯神鼎已將AI應用于編譯流程中，這無疑推動了芯片設計領域的發(fā)展。

芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)采用了由AI驅(qū)動的智能編譯引擎，該引擎能夠在編譯流程中極大地減少編譯時間和內(nèi)存占用，實現(xiàn)增量編譯，并能智能匹配P&R（布局與布線）策略，從而顯著提高布線的成功率。本文將從多個獨立模塊的角度，深入探討芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)的智能編譯流程。

并行綜合：打破傳統(tǒng)編譯瓶頸

傳統(tǒng)綜合方法充滿了局限性。在集成電路設計領域，傳統(tǒng)綜合方法主要有兩種：Top-down綜合和Bottom-up綜合。1.Top-down綜合
該方法對整個設計進行處理，以實現(xiàn)徹底的優(yōu)化。盡管優(yōu)化程度高，但這一方案的綜合時間通常非常長，不適用于迅速變化的項目周期。2.Bottom-up綜合
此方法首先對底層模型進行獨立綜合，然后逐步并入上層模塊進行綜合。雖然這適用于一些包含獨立IP的復雜設計，但其在超大規(guī)模集成電路（VLSI）應用中表現(xiàn)出速度和靈活性的明顯不足。對于超大規(guī)模集成電路，這兩種傳統(tǒng)綜合方法通常成為編譯過程的瓶頸。除了時間效率低下，其對計算資源，特別是內(nèi)存的占用也相當巨大。
芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)對并行綜合進行了創(chuàng)新，采用Module-by-Module的綜合方式，徹底改變了這一現(xiàn)狀。首先，芯神鼎針對整個設計進行必要的全局處理和優(yōu)化，例如XMR（Cross-Module Reference）處理。接著，以Module為最小粒度，啟動多核并行綜合過程。這一步是本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新之一，它允許系統(tǒng)充分利用服務器/集群的并行計算性能。在所有模塊綜合完成之后，系統(tǒng)進一步進行跨模塊邊界（Cross Module Boundary）邏輯優(yōu)化。此外，芯神鼎能根據(jù)服務器配置和實際負載動態(tài)調(diào)節(jié)并行任務數(shù)量，以實現(xiàn)負載均衡。
這種并行綜合方法大大加速了超大規(guī)模集成電路設計的整體綜合效率。實際應用中，對于多核NVDLA（NVIDIA Deep Learning Accelerator）這樣的復雜設計。經(jīng)測試，其加速率可以達到驚人的10~100倍，尤其在多核設計中表現(xiàn)出色。
通過創(chuàng)新的并行綜合技術，芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)成功地突破了傳統(tǒng)綜合方法在時間和資源效率方面的局限，為超大規(guī)模集成電路設計帶來了前所未有的效率提升。
圖一：并行綜合流程

高效率與高質(zhì)量的智能P&R

在基于硬件仿真的超大規(guī)模設計流程中，P&R（布局與布線）通常是編譯的最后一步，負責生成最終的bitstream文件。雖然現(xiàn)有的編譯工具提供了多種P&R選項，目的是適應不同設計需求和優(yōu)化目標，但實際情況卻遠沒有那么簡單。由于各種SoC需求和應用場景的多樣性，幾乎沒有一種“通用”的P&R選項組合能適用于所有場景。因此，開發(fā)人員需要根據(jù)特定的設計需求，手動選擇或調(diào)整P&R選項，以求達到最佳的設計輸出。
1. 基于機器學習的智能P&R
芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)突破了這一局限，采用基于機器學習（ML）的智能P&R方法。通過使用大量的實際P&R數(shù)據(jù)進行深度訓練，系統(tǒng)生成的ML模型能在推理階段輸出最優(yōu)的P&R參數(shù)組合。更值得一提的是，這種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法在多個關鍵性能指標上都超過了人工專家的判斷。例如，在布線成功率方面，經(jīng)測試，可以顯著提高布線通過率；同時，P&R所需的總時間也可大幅度減少。
2.優(yōu)化任務調(diào)度和并行計算
除了使用機器學習進行智能選項推薦外，芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)還進一步優(yōu)化了任務調(diào)度算法。通過智能任務調(diào)度，系統(tǒng)能確保在進行P&R操作時充分利用編譯服務器的多核計算能力。具體的并行能力和效率提升取決于編譯服務器的性能和配置。
通過集成基于機器學習的智能P&R以及高效的任務調(diào)度和并行計算功能，芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)為FPGA設計提供了一種更高效、更質(zhì)量可控的解決方案。這不僅大幅減少了編譯時間，同時也顯著提升了輸出結(jié)果的質(zhì)量。
圖二：任務調(diào)度和并行計算流程

增量編譯

在超大規(guī)模集成電路（VLSI）的設計過程中，即使進行了多方面的編譯流程優(yōu)化，編譯時間依然可能成為項目進度的瓶頸。更進一步地說，對于那些已經(jīng)編譯過但需做細微修改的工程，每次都進行全量編譯會大大延長開發(fā)周期，耗費人力和計算資源。
增量編譯（Incremental Compilation）是一種編程優(yōu)化策略，用于加快編譯過程。在一個大型或復雜的代碼基礎上，每次進行全量編譯（即重新編譯整個代碼基礎）通常會消耗大量時間和計算資源。增量編譯的目標是只重新編譯自上次編譯后發(fā)生變化或被影響的代碼部分，而不是整個代碼庫。
增量編譯系統(tǒng)首先會跟蹤代碼中各模塊、函數(shù)或文件的依賴關系。當某一部分代碼發(fā)生改動后，編譯系統(tǒng)會識別這一改動，并查找所有依賴于該部分的其他代碼。只有被改動的代碼和依賴于它的代碼會被重新編譯。其它未改動和不受影響的代碼則不需要重新編譯。重新編譯的代碼會與舊的編譯結(jié)果合并，生成一個更新的可執(zhí)行文件或庫。對于代碼庫非常大的項目，增量編譯幾乎是必需的。
芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)便采用了這種增量編譯策略。它采用了一種先進的增量編譯引擎，該引擎涵蓋了綜合模塊、Partition模塊以及工程生成模塊等關鍵部分。這些模塊都集成了增量編譯技術，可以在二次編譯過程中智能感知用戶所做的任何修改。這種自動感知機制極大地減少了重新編譯所需的計算量，因為它只針對修改過的部分進行編譯，而非整個設計。這樣不僅大幅度縮短了編譯時間，還優(yōu)化了資源使用效率。圖三：增量編譯流程

總結(jié)

AI+EDA的結(jié)合代表了一次跨越式的技術進步，它不僅有望延續(xù)并拓展摩爾定律的生命周期，還能顯著節(jié)約研發(fā)時間和資本投入，提升行業(yè)整體競爭力。進一步地，這一結(jié)合還為全球芯片設計領域開創(chuàng)了全新的可能性，比如通過機器學習算法優(yōu)化設計流程，從而縮短產(chǎn)品上市時間，或者在更短的時間內(nèi)完成更為復雜的設計任務。
芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)集多種創(chuàng)新技術于一身，如并行綜合、智能P&R和增量編譯等模塊，不僅大幅度縮短了編譯時間，還提高了整體編譯質(zhì)量。這些模塊都運用了我們自主研發(fā)的先進技術，為客戶在超大規(guī)模集成電路驗證方面提供了強有力的支持。除了應對現(xiàn)有的編譯挑戰(zhàn)，我們的解決方案還具備極強的可擴展性，能夠適應未來更高復雜度的工程需求。
通過持續(xù)的研發(fā)和創(chuàng)新，芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)有望成為推動整個集成電路設計行業(yè)進入新“智”元的重要力量，開啟一個全新的、以數(shù)據(jù)和算法為驅(qū)動的芯片設計時代。