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[原创] 现代芯片设计需要怎样的硬件验证系统?


随着摩尔定律的持续推进,AI和自动驾驶等应用的出现,芯片行业正迎来前所未有的新挑战。



以芯片的验证为例,Siemens EDA(之前的Mentor Graphic)全球副总裁兼中国区总经理凌琳在日前的一个媒体会上强调:“在当前整个半导体、集成电路行业当中,设计的验证变得越来越重要”。据他所说,这可以从三个方面体现出来:首先,如下图左所示,在过去的十年当中,验证在芯片设计中的成本占比和发展是越来越快,它的增长速度是远高于设计成本的增长速度。



“在整个前端的设计当中,包括工程师、软件、硬件在内的验证资源占到总成本的70%,而设计成本只占30%,这说明验证在整个工作当中的占比会越来越高”,凌琳补充说。





其次,如上图中所示,从不同的技术节点、硬件的验证速度和软件确认速度的发展比例来看,SoC软件确认的成本正在快速增长。这主要因为任何一个SoC都是在一个更大的子系统或者更复杂的系统当中。那就意味着除了硬件本身的功能,还有很多效能、电源等都需要用操作系统或更多软件去协同验证,这是非常有难度的,它的需求量也增长得非常之快。



“最后,如上图右所示,传统仿真已经无法满足我们对仿真时间效益的需求。而硬件加速平台是一个快速的、新的发展趋势,这也证明了整个验证和确认的发展趋势为什么会那么快。”凌琳表示。





在凌琳看来,现在SoC、IC的发展速度非常之快,不管是5G、通信、超算、存储、云计算中心,还是运输、交通工具、智能汽车、自动驾驶等领域,所有这些不同的应用领域对于SoC本身的设计和对功能的验证仿真,包括将来进入哪些子系统或更复杂系统的认证、验证方向和功效要求将会变得更为复杂。



“这种复杂不是线性增长,而是指数级增长,所以这就需要EDA厂商能够开发出更易用、更方便的平台和工具,来帮助他们完成这些非常艰难的技术演进和复杂度非常高的芯片和子系统的验证及确认。只有具备这些技术,才能保证他们的芯片上市之后真正会有市场且是可量产的。对于SoC厂商或做芯片的公司来说,这些技术是他们的命脉。”凌琳强调。



Siemens EDA亚太区技术总监李立基则在媒体会上告诉记者,对于现在的芯片公司而言,他们做产品的过程中不但要考虑功能问题,还要考虑其性能问题。





“现在在市场上,我们要确定一个芯片是否成功,就是要看它跑软件的性能,这跟以前只看它有多少不同功能截然不同。所以我们现在设计芯片的时候,需要将该软件的工作负载直接跑到芯片上面去收集数据,做性能和功耗的分析,然后进行优化。所以在设计流程里我们要更早进行验证,且在验证的过程里面不只是做功能的验证,也需要做性能、功耗方面的优化和支持。”李立基接着说。



正是在这些需求的推动下,Siemens EDA带来了公司全新一代的 Veloce™全面硬件辅助验证系统。据介绍,Veloce 硬件辅助验证系统中的新产品包括用于虚拟平台/软件激活验证的 Veloce HYCON、硬件仿真器Veloce Strato+、企业级 FPGA 原型验证系统Veloce Primo和桌面 FPGA 原型验证系统Veloce proFPGA。





首先看Veloce HYCON(Hybrid Configurable的缩写)。这是一个支持“左移”设计的平台,也就是说开发者可以借助这个平台颠覆传统做好硬件,再做软件测试的流程,及早地将其软件跑在芯片上。这一方面减少了开发时间;另一方面则可以更早地将漏洞展现出来,方便开发者优化。





“Veloce HYCON包含了一个软件的工具,作为一个虚拟的模型,它还有操作系统软件。所以如果你是做一个系统,做一个产品,里面有Arm CPU,然后要跑到linux或安卓等操作系统上时,这个部分可以不需要放一个RTL进去,只是把你自己设计部分的硬件连到Veloce HYCON的模型上面,就可以去跑系统。”李立基告诉记者。



硬件仿真器Veloce Strato+则是Veloce 系统的另一重要组成部分。这也是Siemens EDA前一代产品Veloce Strato的升级。



据了解,公司上一代的Strato,一个机箱的容量是25亿门,可以同时把四台机箱串联起来,所以Strato整体最大的容量是100亿门。而对于现在的Strato+,把四台机器连起来则能达到150亿门容量,与比前一代的Veloce Strato增加了1.5倍。



“我相信这是目前行业里面容量最大的硬件仿真器。同时我们的功耗也有所降低。”李立基强调。在他看来,公司之所以能在Veloce Strato+创造这样的成绩,与公司自己研发的新芯片有很大的关系。





李立基在会上指出,公司在之前版本的Strato里面用的芯片是Crystal 3,如今全新的产品则用上了新芯片Crystal 3+。据了解,整个芯片的升级主要体现在存储上。与前一代芯片的存储是放在芯片外面的,然后在线路板上面把它连起来不一样,Crystal 3+是用了最先进的2.5D的技术,将存储都被放到封装里面。通过这样的设计,可以获得更低功耗、更快速度和更小芯片面积。





“以前在同一个线路板上面可以放16个芯片,现在最多可以放24个芯片。在同一个机箱里面的容量更是从以前的25亿门扩大到现在的大约37.5亿门。”李立基举例说。



此外,Siemens EDA的这个系统还包括了Veloce Primo和Veloce proFPGAFPGA 这两个原型验证系统,其中Primo是企业级的,proFPGA则是桌面的。





首先看企业级系统Veloce Primo方面,据了解,这是一个可以被放到数据中心里面,允许很多不同的用户同时去分享的系统。它的好处就是高速度和较低的总体拥有成本(TCO),因为你可以分享,而且不管放到哪个地方,企业里面不同的部门、不同的设计中心都可以分享。





“这个多用户的系统最多可以用320个FPGA设计容量,可以做到120亿门容量,工作负载较Veloce Strato高出10倍,拥有从7到70+ MHZ的高性能。”李立基说。



至于桌面 FPGA 原型验证系统Veloce proFPGA,它的好处是灵活性,因为它有不同的方案,同时能够保证高性能及可用性;它还可以从单一通道扩展到四个通道,最多可以把5个四通道板的桌面proFPGA连到一起,做到8亿门的容量。这也让他们在这个容量上做得非常灵活;它可以最低从40MG扩展到800MG,在不同的组合里面也都可以进行配置。





在演讲中,李立基最后强调,Siemens EDA的FPGA原型验证系统和Strato都很重要的一点就是统一性和互通性。换而言之,就是Strato跟Primo、FPGA都是用统一的操作系统、统一的解决方案、同样的方法和通用的RTL前端编译器。所以当你做了一个设计,要把它从Strato搬到Primo或proFPGA上时,RTL是不需要修改的。这就能够帮助我们的客户用统一的方法轻松快捷地在不同的系统上做不同的事情。



“Mentor(现在已改名Siemens EDA)早在1998年的时候,就在硬件仿真的领域进行技术探索并推出产品,在2002年收购Ikos公司之后,我们在这一领域的进步越来越快。在经历了多年的技术演进之后,Veloce平台成为了一个在芯片、SoC功能及效能验证方面非常知名且非常重要的品牌。我们推出这套新产品的意义就在于将这些技术演进下去。”凌琳告诉记者。

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