軟件仿真(Simulation)，原型驗(yàn)證(Prototyping)，以及硬件仿真 (Emulation)，是當(dāng)前主要的三種有效的驗(yàn)證方法，在芯片前端設(shè)計(jì)的功能性驗(yàn)證階段起到了關(guān)鍵的作用。
近年來(lái)，由于大數(shù)據(jù)處理和AI芯片設(shè)計(jì)規(guī)模的擴(kuò)大，以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈導(dǎo)致的快速迭代需求，越來(lái)越多的芯片設(shè)計(jì)公司開(kāi)始選擇硬件仿真，以提高芯片驗(yàn)證效率，縮短芯片開(kāi)發(fā)周期。
相較于軟件仿真和原型驗(yàn)證，硬件仿真具有可支持設(shè)計(jì)容量大、擴(kuò)展性好、工程構(gòu)建時(shí)間短、仿真速度快、調(diào)試能力強(qiáng)、驗(yàn)證場(chǎng)景豐富等特點(diǎn)，適合大型設(shè)計(jì)從模塊級(jí)、芯片級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的仿真驗(yàn)證。

硬件仿真驗(yàn)證模式

硬件仿真支持的豐富的驗(yàn)證模式，可以滿足芯片設(shè)計(jì)不同階段的驗(yàn)證需求，常用于架構(gòu)設(shè)計(jì)、前期開(kāi)發(fā)、模塊開(kāi)發(fā)、IP開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)深度調(diào)試等芯片開(kāi)發(fā)階段。
常見(jiàn)的仿真驗(yàn)證模式，主要包括：電路內(nèi)仿真（In-Circuit Emulation，ICE仿真），事務(wù)級(jí)的仿真加速（Transaction Based Acceleration，TBA仿真），以及混合仿真（QEMU）等。在不同的芯片設(shè)計(jì)階段，可以選擇合適的仿真加速方法，來(lái)提升驗(yàn)證效率。

電路內(nèi)仿真（In-Circuit Emulation，ICE仿真）
電路內(nèi)仿真是使用在線仿真器（In-Circuit Emulator）進(jìn)行具有特定調(diào)試技術(shù)的硬件仿真加速，其中在線仿真器代替實(shí)際硬件以便在實(shí)際系統(tǒng)環(huán)境中運(yùn)行和測(cè)試。此方法允許工程師在實(shí)際的系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，而無(wú)需等待硬件原型的生產(chǎn)。這可以大大加速開(kāi)發(fā)過(guò)程，并提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
事務(wù)級(jí)的仿真加速（Transaction Based Acceleration，TBA仿真）
事務(wù)級(jí)的仿真加速是通過(guò)使用總線功能模型Bus Functional Model (BFM)，將運(yùn)行在軟件上的Testbench和運(yùn)行在硬件仿真系統(tǒng)中的DUT進(jìn)行事務(wù)級(jí)層面的軟硬聯(lián)合驗(yàn)證。即在主機(jī)上運(yùn)行的Testbench和在硬件仿真上運(yùn)行的DUT是通過(guò)無(wú)時(shí)序的事物進(jìn)行交互。通過(guò)這種方法，仿真速度可以大大提高，因?yàn)榉抡娴慕裹c(diǎn)從每個(gè)時(shí)鐘周期的具體操作轉(zhuǎn)移到了更高級(jí)別的事務(wù)。這種方法常用于大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可以提高仿真的效率。
混合仿真(Hybrid Emulation）
混合仿真是將硬件仿真與軟件仿真相結(jié)合，允許工程師同時(shí)觀察和調(diào)試系統(tǒng)的硬件和軟件部分。混合仿真可以提供對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全面視圖，并可以在更高的抽象級(jí)別進(jìn)行仿真，可以進(jìn)一步提高仿真速度和效率。是IC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在早期架構(gòu)優(yōu)化、軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)、RTL級(jí)仿真驗(yàn)證中的重要驗(yàn)證方法。
這些驗(yàn)證模式都是硬件仿真的一部分或者擴(kuò)展，它們提供了不同層次和粒度的仿真和驗(yàn)證能力，以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)需求和驗(yàn)證目標(biāo)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程中，工程師可能會(huì)根據(jù)需要選擇適合的仿真方法。

混合仿真（QEMU）

QEMUQEMU是純軟件實(shí)現(xiàn)的一個(gè)開(kāi)源、跨平臺(tái)的虛擬化模擬器，幾乎可以模擬任何硬件設(shè)備。通常是模擬一臺(tái)能夠獨(dú)立運(yùn)行操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)，混合仿真時(shí)虛擬機(jī)會(huì)以為自己和真實(shí)硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而該“硬件”實(shí)際上卻是QEMU模擬，QEMU 將這些指令轉(zhuǎn)譯給真正的硬件。本質(zhì)上，虛擬出的每個(gè)虛擬機(jī)對(duì)應(yīng)宿主系統(tǒng)（Host）上的一個(gè)QEMU進(jìn)程，而虛擬機(jī)的執(zhí)行線程（如 CPU 線程、I/O 線程等）對(duì)應(yīng)QEMU進(jìn)程的一個(gè)線程。
圖1 QEMU架構(gòu)圖SystemCSystemC是一個(gè)支持系統(tǒng)建模的開(kāi)源的C++ library。混合仿真驗(yàn)證前，通常優(yōu)先開(kāi)發(fā)抽象SystemC模型（如TLM模型），然后將此模型轉(zhuǎn)化為RTL并基于此模型上開(kāi)發(fā)軟件。在此過(guò)程中，軟硬件的諸多錯(cuò)誤能盡早被發(fā)現(xiàn)，從而節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。使用QEMU和SystemC可以共同組成虛擬驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)SoC系統(tǒng)級(jí)建模。

圖2 SystemC Simulation

基于QEMU的混合仿真驗(yàn)證
混合驗(yàn)證是一種方法，它在使用硬件仿真進(jìn)行DUT仿真的同時(shí)，利用虛擬原型建立目標(biāo)SoC環(huán)境，并進(jìn)行相應(yīng)軟硬件的協(xié)同開(kāi)發(fā)調(diào)試。混合仿真是IC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在早期架構(gòu)優(yōu)化、軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)、RTL級(jí)仿真驗(yàn)證中的重要工具。
基于QEMU和硬件仿真系統(tǒng)的混合仿真，是在硬件仿真系統(tǒng)和QEMU上同時(shí)運(yùn)行SoC的不同設(shè)計(jì)模塊，在SoC整體架構(gòu)硬件實(shí)現(xiàn)之前提供嵌入式軟件和硬件的協(xié)同仿真，為系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化、RTL的早期開(kāi)發(fā)、以及嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，提供準(zhǔn)確，即時(shí)的仿真驗(yàn)證環(huán)境，有力推動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期左移，從而加速SoC的研發(fā)進(jìn)程。
QEMU運(yùn)行在Runtime Server上，一般通過(guò)SystemC實(shí)現(xiàn)TLM(Transaction Level Model)模型，提供虛擬CPU、Linux內(nèi)核以及用戶態(tài)程序。QEMU通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SCEMI協(xié)議和硬件仿真器通信，硬件仿真器上可運(yùn)行SOC外設(shè)等IP，從而實(shí)現(xiàn)完整的混合仿真環(huán)境。

圖3QEMU混合仿真

混合仿真帶來(lái)的好處

混合仿真帶來(lái)了諸多好處，主要表現(xiàn)在軟件開(kāi)發(fā)和集成測(cè)試的工作可以大幅度提前，顯著地縮短了項(xiàng)目周期。在應(yīng)用混合驗(yàn)證之前，軟硬件開(kāi)發(fā)和集成測(cè)試往往要等待硬件設(shè)計(jì)完成后才能開(kāi)始，這將會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目周期延長(zhǎng)。而在使用混合驗(yàn)證之后，軟硬件開(kāi)發(fā)和集成測(cè)試可以在硬件設(shè)計(jì)階段同時(shí)進(jìn)行，這樣將會(huì)顯著地縮短整個(gè)項(xiàng)目周期。

圖4使用混合驗(yàn)證前

圖5使用混合驗(yàn)證后

基于OmniArk

和QEMU的混合仿真

思爾芯自主研發(fā)的OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)，采用超大規(guī)模可擴(kuò)展陣列架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)容量最大10億門。支持TBA、ICE 、混合仿真等多種仿真驗(yàn)證模式，可以滿足不同驗(yàn)證場(chǎng)景需求。

思爾芯提供的混合驗(yàn)證解決方案，通過(guò)連接開(kāi)源虛擬機(jī)QEMU工具和OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬原型硬件和嵌入式軟件協(xié)同混合驗(yàn)證，為早期的設(shè)計(jì)架構(gòu)的驗(yàn)證優(yōu)化、嵌入式軟件的協(xié)同開(kāi)發(fā)、RTL級(jí)的仿真加速提供更準(zhǔn)確、更及時(shí)的仿真驗(yàn)證環(huán)境。以混合仿真一個(gè)SoC芯片設(shè)計(jì)為例。SoC整體系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示，主要由ARMv8 CPU、AMBA BUS、NVDLA和DRAM等模塊組成。為了實(shí)現(xiàn)QEMU虛擬平臺(tái)與OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)的混合仿真，我們將NVDLA和DRAM移植到OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，同時(shí)使用QEMU實(shí)現(xiàn)ARMv8的軟件模型。

圖7SoC系統(tǒng)框圖

在設(shè)計(jì)移植到OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)后，Runtime Server端采用QEMU模擬運(yùn)行ARMv8，并通過(guò)TLM Wrapper將其掛載到AMBA總線上。OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)仿真運(yùn)行NVDLA，通過(guò)AXI Transactor(簡(jiǎn)稱Xtor)、GPIO Transactor掛載到AMBA總線上。Runtime Server和OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)之間通過(guò)SCE-MI協(xié)議進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真。

圖8QEMU混合仿真系統(tǒng)框圖

• TLM Wrapper，建立一套基于TLM模型的通信機(jī)制，將QEMU包裝成TLM模型，使QEMU模擬的設(shè)備能夠與SystemC開(kāi)發(fā)的模塊進(jìn)行通信。
• AMBA Router，以軟件形式模擬AMBA總線，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的AMBA路由機(jī)制和仲裁機(jī)制，可將多個(gè)TLM模型連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
• AXI TLM，是一個(gè)基于AXI總線的TLM模型，負(fù)責(zé)將AXI接口設(shè)備適配到AMBA Router總線上。
• IRQ TLM，則是中斷TLM模型，負(fù)責(zé)將設(shè)備的中斷信號(hào)經(jīng)TLM2C發(fā)送給QEMU模擬的CPU，由CPU作出響應(yīng)處理。

總結(jié)

當(dāng)前，許多全流程驗(yàn)證工作都依賴于硬件仿真來(lái)完成。在早期，硬件仿真主要被用于代碼設(shè)計(jì)的后端階段，主要用于確認(rèn)代碼功能的正確性。然而，隨著設(shè)計(jì)流程時(shí)間需求的加劇，更多的步驟開(kāi)始被集成到硬件仿真中，包括早期的功耗分析、系統(tǒng)環(huán)境構(gòu)建和邏輯調(diào)試等。
同時(shí)，硬件仿真系統(tǒng)的專用化趨勢(shì)日益顯著。對(duì)于那些需要處理大量數(shù)據(jù)，但算法相對(duì)單一的應(yīng)用領(lǐng)域，例如加密算法和WIFI應(yīng)用等，他們對(duì)仿真的需求正在逐步增大。在芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和特性，可能需要采用不同的仿真驗(yàn)證模式。在芯片設(shè)計(jì)中，我們可能需要不同的仿真驗(yàn)證模式以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和特性。因此，專用的硬件仿真技術(shù)提供了強(qiáng)大的支持，使硬件仿真具有更高的靈活性和適應(yīng)性，滿足各種不同場(chǎng)景和需求的驗(yàn)證任務(wù)。思爾芯自主研發(fā)的OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)，正是這種具有更高靈活性和適應(yīng)性的硬件仿真系統(tǒng)，目前已在多個(gè)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)成功使用。產(chǎn)品除了支持TBA、ICE 、混合仿真等多種仿真驗(yàn)證模式外，還支持用戶設(shè)計(jì)的快速導(dǎo)入和全自動(dòng)快速編譯、可以支持高速的仿真運(yùn)行速度，同時(shí)具備強(qiáng)大的調(diào)試能力和對(duì)海量的數(shù)據(jù)處理能力，可以快速尋找和修復(fù)源代碼中潛在的深度錯(cuò)誤和性能瓶頸。利用這個(gè)平臺(tái)，用戶可以更高效地進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)和優(yōu)化，極大地提高了芯片設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。