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十多年來(lái)，硬件輔助驗(yàn)證（Hardware-Assisted Verification ：HAV）平臺(tái)一直是驗(yàn)證工具箱的核心。如今，任何重要的半導(dǎo)體項(xiàng)目在流片過(guò)程中都離不開(kāi)仿真或FPGA原型驗(yàn)證的核心作用。硬件輔助驗(yàn)證已經(jīng)深深融入到開(kāi)發(fā)流程中，以至于人們很容易認(rèn)為它一直都是如此。

但事實(shí)并非如此。

盡管確切的起始點(diǎn)可能略有偏差，但今年大致是硬件輔助驗(yàn)證誕生40周年，HAV涵蓋了硬件仿真和FPGA原型設(shè)計(jì)兩大領(lǐng)域。四十多年來(lái)，HAV已從一種小眾技術(shù)發(fā)展成為現(xiàn)代芯片開(kāi)發(fā)不可或缺的支柱。從很多方面來(lái)看，它的發(fā)展歷程也反映了半導(dǎo)體行業(yè)自身的演變：隨著芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，軟件逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，人工智能開(kāi)始重塑一切，HAV也在不斷地重新定義自身的用途。

早在硬件加速（HAV）成為公認(rèn)的類別之前，就已經(jīng)出現(xiàn)了一些先驅(qū)。例如，IBM曾通過(guò)Yorktown仿真引擎以及后來(lái)的工程驗(yàn)證引擎等系統(tǒng)進(jìn)行硬件加速實(shí)驗(yàn)。這些機(jī)器本質(zhì)上是仿真加速器——專用計(jì)算機(jī)，旨在比傳統(tǒng)軟件仿真器更快地運(yùn)行硬件模型。它們代表著向前邁出的重要一步，但本質(zhì)上仍然局限于仿真范式。它們提高了速度，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以將真實(shí)場(chǎng)景應(yīng)用于待測(cè)設(shè)計(jì)。

HAV平臺(tái)屬于另一類引擎。早期的仿真器依賴于可重編程硬件，通常是FPGA陣列，其配置旨在模擬被測(cè)設(shè)計(jì)（DUT）的行為。工程師們首次能夠在芯片流片之前，以接近實(shí)際運(yùn)行速度的執(zhí)行方式與芯片模型進(jìn)行交互。PiE Design Systems、Quickturn、IKOS和Zycad等公司率先采用了這種新的驗(yàn)證方法，為半導(dǎo)體發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵支柱奠定了基礎(chǔ)。

人機(jī)交互的發(fā)展歷程可以分為三個(gè)主要時(shí)期：早期，硬件的復(fù)雜性迫使仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生；中期，軟件占據(jù)主導(dǎo)地位，人機(jī)交互進(jìn)入虛擬環(huán)境；成熟期，人工智能工作負(fù)載推動(dòng)硬件成為架構(gòu)創(chuàng)新的核心。

早期：硬件復(fù)雜性推動(dòng)了仿真技術(shù)的興起

20世紀(jì)80年代初期，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)幾乎完全由硬件決定。嵌入式軟件即便存在，也只扮演次要角色。當(dāng)時(shí)，處理器和圖形芯片領(lǐng)域的先驅(qū)們引領(lǐng)著整個(gè)行業(yè)，朝著當(dāng)時(shí)看來(lái)驚人的里程碑——一百萬(wàn)門(mén)——不斷邁進(jìn)。驗(yàn)證工作主要依賴于門(mén)級(jí)仿真，而門(mén)級(jí)仿真也成為了當(dāng)時(shí)的通用標(biāo)準(zhǔn)。

然而，隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的擴(kuò)大，仿真器遇到了不可避免的性能瓶頸。有限的主機(jī)內(nèi)存迫使設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)被交換到磁盤(pán)，仿真運(yùn)行時(shí)間急劇膨脹，測(cè)試向量數(shù)量激增，而要達(dá)到可接受的故障覆蓋率，所需的計(jì)算量也變得難以承受。在芯片流片之前進(jìn)行全系統(tǒng)驗(yàn)證變得越來(lái)越不切實(shí)際，甚至完全不可能。業(yè)界需要速度更快、更接近芯片本身的仿真方法。

硬件輔助驗(yàn)證（HAV）正是為了應(yīng)對(duì)這場(chǎng)危機(jī)而應(yīng)運(yùn)而生。早期的HAV平臺(tái)主要部署在電路內(nèi)仿真（ICE）模式下。在ICE配置中，仿真器通過(guò)物理線纜連接到實(shí)際目標(biāo)系統(tǒng)，使工程師能夠在真實(shí)的環(huán)境中，使用真實(shí)的外部設(shè)備對(duì)被測(cè)器件（DUT）進(jìn)行測(cè)試。這具有革命性意義。設(shè)計(jì)人員不再依賴合成向量，而是可以使用實(shí)際工作負(fù)載來(lái)驗(yàn)證芯片，從而達(dá)到合成仿真向量無(wú)法企及的真實(shí)度。驗(yàn)證過(guò)程首次開(kāi)始接近芯片在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)行狀態(tài)。

前景一片光明，但現(xiàn)實(shí)往往令人沮喪。早期的仿真器設(shè)置復(fù)雜、操作繁瑣且故障頻發(fā)。漫長(zhǎng)的設(shè)置時(shí)間經(jīng)常導(dǎo)致驗(yàn)證準(zhǔn)備工作錯(cuò)過(guò)管理層的截止日期，而源于線纜和硬件依賴性的可靠性問(wèn)題則導(dǎo)致頻繁的停機(jī)。平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 只能以小時(shí)而非周或月來(lái)衡量，迫使驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)花費(fèi)更多精力調(diào)試仿真器本身，而不是調(diào)試被測(cè)設(shè)備 (DUT)。即便如此，盡管存在這些挫折，發(fā)展方向依然清晰：驗(yàn)證不能再僅僅依靠軟件。

中世紀(jì)：軟件吞噬世界，HAV成為驗(yàn)證骨干

在接下來(lái)的幾十年里，設(shè)計(jì)格局發(fā)生了深刻的變化，功能開(kāi)始穩(wěn)步地從硬件轉(zhuǎn)移到軟件代碼中。馬克·安德森在2011年提出的“軟件正在吞噬世界”的觀點(diǎn)，精準(zhǔn)地概括了這一轉(zhuǎn)變。事實(shí)證明，他的預(yù)測(cè)在幾乎所有與計(jì)算相關(guān)的行業(yè)都得到了驚人的準(zhǔn)確驗(yàn)證。片上系統(tǒng)（SoC）轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖x平臺(tái)，智能越來(lái)越多地存在于固件、操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用堆棧中。硬件不再是產(chǎn)品的全部——它只是軟件代碼的載體。

這一轉(zhuǎn)變徹底改變了驗(yàn)證方式。靜態(tài)測(cè)試模式已無(wú)法充分展現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)的全部復(fù)雜性。工程師們轉(zhuǎn)而采用軟件驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)機(jī)制，利用高級(jí)測(cè)試平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)在廣泛功能領(lǐng)域的行為。硬件驗(yàn)證語(yǔ)言和更抽象的方法論應(yīng)運(yùn)而生，以適應(yīng)這一新的現(xiàn)實(shí)。

HAV引擎最初主要用于實(shí)時(shí)內(nèi)燃機(jī)驗(yàn)證，后來(lái)轉(zhuǎn)型成為以軟件為中心的環(huán)境背后的執(zhí)行引擎。業(yè)界通過(guò)基于事務(wù)的驗(yàn)證，規(guī)范了軟件測(cè)試平臺(tái)與硬件映射的被測(cè)設(shè)備（DUT）之間的交互，該驗(yàn)證已在IEEE SCE-MI標(biāo)準(zhǔn)下標(biāo)準(zhǔn)化。工程師無(wú)需逐周期地切換信號(hào)，而是可以通過(guò)高級(jí)事務(wù)與DUT交互，從而顯著提高性能和效率。

這一轉(zhuǎn)變也消除了早期技術(shù)的許多實(shí)際局限性。虛擬化環(huán)境減少了對(duì)物理連接的依賴，并消除了基于ICE架構(gòu)所需的速度適配器。驗(yàn)證IP取代了硬件接口，從而實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的全數(shù)字化驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)。

隨著業(yè)界接受“左移”理念，HAV平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，成為其最強(qiáng)大的推動(dòng)力量。HAV平臺(tái)使工程師能夠在設(shè)計(jì)流程的早期階段就啟動(dòng)軟件，從裸機(jī)初始化開(kāi)始，逐步擴(kuò)展到驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)。驗(yàn)證不再局限于孤立的功能正確性，而是涵蓋了整個(gè)軟硬件系統(tǒng)的行為，甚至在芯片出現(xiàn)之前就已開(kāi)始進(jìn)行驗(yàn)證。

到這個(gè)階段，硬件輔助驗(yàn)證（HAV）已遠(yuǎn)不止是一種加快驗(yàn)證速度的方法。它日益成為硬件和軟件開(kāi)發(fā)之間的橋梁，使團(tuán)隊(duì)能夠并行工作而非按順序進(jìn)行，并將硬件輔助驗(yàn)證確立為現(xiàn)代系統(tǒng)驗(yàn)證的基石。

人工智能時(shí)代：人工智能重塑硬件中心地位，HAV 邁向全?；?/strong>

從2010年代中期開(kāi)始，人工智能的爆炸式增長(zhǎng)推動(dòng)了行業(yè)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。人們的認(rèn)知不再是軟件吞噬世界，而是演變?yōu)楦鼮榧みM(jìn)的趨勢(shì)：軟件反過(guò)來(lái)吞噬硬件。在人工智能時(shí)代，軟件不再僅僅是運(yùn)行在硬件之上，而是越來(lái)越多地決定著硬件的未來(lái)發(fā)展方向?，F(xiàn)代人工智能模型的需求如此之高，以至于它們正在從根本上重塑處理器架構(gòu)。

生成式人工智能暴露了傳統(tǒng)通用架構(gòu)的局限性。現(xiàn)代模型龐大的數(shù)據(jù)傳輸需求和計(jì)算強(qiáng)度令CPU不堪重負(fù)，即使是高度優(yōu)化的系統(tǒng)也難以應(yīng)對(duì)。為了跟上時(shí)代步伐，業(yè)界開(kāi)始采用專用架構(gòu)，包括GPU、FPGA以及專為大規(guī)模并行和張量計(jì)算而設(shè)計(jì)的AI加速器。

這些發(fā)展極大地增加了片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜性。人工智能時(shí)代的芯片通常包含數(shù)十億個(gè)門(mén)電路、異構(gòu)計(jì)算集群以及復(fù)雜的片上網(wǎng)絡(luò) (NOC)，以便在處理單元之間高效地傳輸數(shù)據(jù)。參見(jiàn)圖 1。

在此背景下，HAV的作用得到了根本性的擴(kuò)展。

驗(yàn)證不再局限于十億門(mén)以下設(shè)計(jì)的功能正確性；它現(xiàn)在必須擴(kuò)展到數(shù)十億門(mén)系統(tǒng)，并且要涵蓋遠(yuǎn)超邏輯本身甚至軟件棧的內(nèi)容。如今，高可用性驗(yàn)證 (HAV) 平臺(tái)越來(lái)越多地用于評(píng)估功耗和散熱行為、分析性能、驗(yàn)證安全性和可靠性要求、捕獲完整的系統(tǒng)級(jí)交互，以及運(yùn)行反映設(shè)計(jì)在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行情況的真實(shí)工作負(fù)載。

與此同時(shí)，ICE 式操作已從一種傳統(tǒng)模式發(fā)展成為一項(xiàng)關(guān)鍵的工程能力。這一點(diǎn)在高速 FPGA 原型設(shè)計(jì)中尤為重要，因?yàn)樵趯⒃O(shè)計(jì)投入生產(chǎn)之前，必須快速驗(yàn)證真實(shí)的物理接口。通過(guò)允許被測(cè)設(shè)計(jì)在周期早期與實(shí)際的 PHY 硬件交互，ICE 使團(tuán)隊(duì)能夠發(fā)現(xiàn)純虛擬環(huán)境無(wú)法揭示的集成、時(shí)序和信號(hào)完整性問(wèn)題。如此一來(lái)，在流片之前，它就能顯著增強(qiáng)硬件和軟件的可靠性。

同樣重要的是，人工智能硬件與其軟件生態(tài)系統(tǒng)密不可分。編譯器、運(yùn)行時(shí)環(huán)境、庫(kù)、內(nèi)核和部署框架不再是事后考慮的因素，它們與硬件的成敗息息相關(guān)。因此，HAV平臺(tái)在芯片問(wèn)世之前就被用于運(yùn)行真實(shí)的AI工作負(fù)載，從而確保硬件和軟件同步演進(jìn)，而非循序漸進(jìn)。架構(gòu)與執(zhí)行之間的反饋回路越來(lái)越多地在芯片流片之前而非首片芯片之后閉合。

從這個(gè)意義上講，人工智能時(shí)代的驗(yàn)證已經(jīng)真正實(shí)現(xiàn)了全棧式驗(yàn)證。HAV不再僅僅是驗(yàn)證工具，它現(xiàn)在是硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)融合的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)了一種新的范式：軟件驅(qū)動(dòng)的流片。

結(jié)論：HAV 作為硬件-軟件融合的引擎

經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)又經(jīng)歷了一個(gè)輪回。最初，硬件的復(fù)雜性推動(dòng)了仿真技術(shù)的興起，使其成為一種實(shí)際應(yīng)用的必然選擇。隨后的軟件時(shí)代拓展了硬件自動(dòng)化（HAV）的作用，將其與虛擬環(huán)境、更豐富的軟件棧以及更廣泛的系統(tǒng)級(jí)工作流程連接起來(lái)。如今，人工智能革命再次重塑行業(yè)格局，將硬件重新置于創(chuàng)新中心，并對(duì)專業(yè)化、效率和規(guī)模提出了前所未有的要求。

然而，最根本的變化在于這種核心地位的意義。硬件不再是先設(shè)計(jì)后編程。本世紀(jì)的標(biāo)志性趨勢(shì)是軟件定義設(shè)計(jì)，架構(gòu)的形成不僅取決于晶體管、互連和邏輯結(jié)構(gòu)，還取決于編譯器、運(yùn)行時(shí)和工作負(fù)載。硬件和軟件之間的界限已經(jīng)模糊，最終融合為一個(gè)緊密耦合的工程問(wèn)題。

HAV平臺(tái)恰好處于這一交匯點(diǎn)。它們不再僅僅是用于孤立地檢查正確性的工具。相反，它們已成為驗(yàn)證架構(gòu)意圖的關(guān)鍵環(huán)境——在這里，硬件與實(shí)際軟件相遇，性能假設(shè)在真實(shí)的負(fù)載下得到測(cè)試，系統(tǒng)級(jí)的權(quán)衡取舍得以展現(xiàn)，同時(shí)仍有機(jī)會(huì)進(jìn)行有意義的設(shè)計(jì)變更。在軟件驅(qū)動(dòng)流片的時(shí)代，HAV是硅芯片誕生之前完成閉環(huán)驗(yàn)證的機(jī)制。

硬件再次成為宇宙的中心，不是因?yàn)檐浖兊貌荒敲粗匾且驗(yàn)檐浖兊萌绱酥匾?，以至于它現(xiàn)在定義了硬件本身。

衡量成功的標(biāo)準(zhǔn)也隨之改變。選擇HAV平臺(tái)不再僅僅取決于能夠驗(yàn)證多少個(gè)邏輯門(mén)的功能正確性，而是要看能否在流片前執(zhí)行、分析和優(yōu)化所有軟件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景。在這個(gè)新時(shí)代，硬件不僅是軟件創(chuàng)新的基礎(chǔ)，更已成為其主要驅(qū)動(dòng)力之一。

（來(lái)源：編譯自semiwiki）

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點(diǎn)，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對(duì)該觀點(diǎn)贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

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