如何構建一款先進的數(shù)字仿真器

數(shù)字仿真器（Simulator）是一種大型EDA工業(yè)軟件，是數(shù)字驗證領域的基礎工具之一，也是為數(shù)不多的簽核（sign-off）級工具。其實歷史上第一款 EDA 軟件SPICE，就是從仿真開始的?？梢哉f，EDA軟件從誕生之日起，就帶著強烈的仿真基因。因此，如果沒有一款獨立自主的數(shù)字仿真器，國產EDA實現(xiàn)對國外工具壟斷的打破就無從談起。

目前，行業(yè)主流的仿真器，諸如VCS，Xcelium, Questa等，都是國外EDA大廠花了數(shù)十年的時間開發(fā)、迭代而來的。這些軟件內部設計極其復雜、代碼量巨大，單單維護的團隊人數(shù)就可達數(shù)百人甚至上千人。由此可見，數(shù)字仿真器技術開發(fā)難度之大。

合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于累土。2021年11月，國內系統(tǒng)級驗證EDA解決方案提供商芯華章發(fā)布了首款數(shù)字仿真器產品穹鼎GalaxSim，并得到中科院半導體、芯來科技等用戶一線項目部署。GalaxSim在開發(fā)過程中，結合國產EDA的迫切需求，選擇了合適的技術路線、開發(fā)模式，依托研發(fā)團隊的豐富EDA經驗及高效的工作，站在更高的技術起點上，用幾年的時間正在追趕國外幾十年的路。

現(xiàn)在我們梳理實踐所得和淺見，希望與行業(yè)同仁進行分享交流，幫助志在推動國內EDA數(shù)字仿真器進步的有志之士，提供一些可能的啟發(fā)和參考，共同建立良好的EDA發(fā)展生態(tài)。

本篇我們將以穹鼎GalaxSim為例，展示一款商用級別的數(shù)字仿真器從0到1的開發(fā)過程，包括商用仿真器的技術指標、開發(fā)模式、技術路線等方面。

一、數(shù)字仿真器的技術要求

數(shù)字仿真器在驗證中發(fā)揮著舉足輕重的作用。判斷一款國產仿真器是否能真的商用，甚至可以與國際主流選擇的仿真器并駕齊驅, 一般要看它是否滿足以下四點硬性要求：

1）全面的SystemVerilog語法覆蓋

SystemVerilog可以說是最復雜的語言之一，而數(shù)字仿真器又是EDA工具中對SystemVerilog支持最全面的工具。

2）高精度

仿真器相對其他驗證工具，是sign-off級別的，因此要求仿真器必須嚴格按照事件驅動型的算法進行仿真調度，符合IEEE1800等標準。

3）高性能

仿真器的性能直接決定了用戶在驗證上的成本。假如某個優(yōu)化可以使仿真速度提高2x, 那可以使原本一個月完成的回歸測試縮短到二周，從而給客戶省掉很大的驗證支出。

4）高可靠性

作為大型工業(yè)軟件，仿真器的設計極其復雜。一款大型軟件，涉及到的模塊非常多，參與的開發(fā)者也非常多。如何確保軟件質量可控，在客戶的超大設計上能跑幾十小時，甚至幾周不出現(xiàn)故障，是考驗一個仿真器能否真正商用的重要指標之一。因此，作為用戶sign-off 的工具，仿真器的故障率必須極低。即使出現(xiàn)故障，也能在很短的時間內排查并修復。

二、開發(fā)模式的選擇：瀑布式開發(fā)VS敏捷開發(fā)

編譯型數(shù)字仿真器的原理如上圖所示，它從verilog source到最終機器碼生成，中間經歷了多個環(huán)節(jié)。它既具備了Compiler的特點，同時又是一個數(shù)字電路仿真器。它集成了多種底層技術，涉及編譯、算法、圖論等知識。

盡管從概念上，我們可以把這個過程分解成不同的階段，但是在實際實現(xiàn)上，我們其實很難單獨把某一塊抽出來。以parser/elaboration階段為例，這個階段需要把RTL的語法解析出來。從功能上，它和后面的階段是不同的。然而，如果把它作為一個模塊獨立開發(fā)，就會面臨無法測試的困難。因為有些elaboration的結果，需要到了runtime階段才可能測出是否正確。

軟件開發(fā)有兩種模式，一種是傳統(tǒng)的瀑布式模式，把一個軟件劃分成若干模塊。每個模塊都定義好spec，然后分配給各個團隊開發(fā)；到了一定節(jié)點，再進行聯(lián)調。另一種是敏捷開發(fā)，就是快速將flow打通，進行不停地迭代，就像生物界胚胎的成長一樣，逐步將軟件迭代成熟。

上圖給出了兩種不同模式的區(qū)別。由于Simulator涉及到的環(huán)節(jié)非常多，有很多任務是有依賴關系的，只能串行開展。如果按照傳統(tǒng)的模式，不僅完成所有任務的總時間會變得很長，它還會導致最后聯(lián)調的時間非常的不確定。因為很多模塊的耦合性很強，很多問題需要等到最后所有模塊放在一起后才能發(fā)現(xiàn)。

基于此，為了降低研發(fā)風險，提高開發(fā)效率，GalaxSim的開發(fā)采用了敏捷開發(fā)模式。在敏捷開發(fā)模式下，每個任務可以不用一步到位，而是可以先做一個比較初級的版本，從v1開始進行迭代，直到vN。完成每個迭代的時間，是大大短于完成整個任務的時間的。這樣，依賴于該任務的其他任務就可以提前開展了。聯(lián)調階段的不確定也會大大降低，因為很多問題都可以在前期階段暴露出來。通過敏捷開發(fā)，芯華章的GalaxSim可以更合理地調配資源，并通過大量迭代，使得產品能達到商用要求。

三、技術路線的選擇：守正、創(chuàng)新

從0到1，開發(fā)一款具備國產自主知識產權的仿真器，肯定不能僅僅做一個me too的產品，需要有創(chuàng)新、超越。我們面臨的問題是，做一個怎樣的仿真器，能在解決國產替代的基礎上，實現(xiàn)最終的超越？這里面既要守正，也要創(chuàng)新。

何謂守正？創(chuàng)新的前提首先要先解決有無的問題。上文提到，不管采用什么技術，仿真器都必須滿足四個指標：SystemVerilog、精度、性能、可靠性。因此，任何研發(fā)路線與技術的選擇，都必須滿足以上4個約束條件。

與此同時，我們吸取主流數(shù)字仿真器的歷史研發(fā)教訓，針對國內使用環(huán)境進行客制化創(chuàng)新。比如在SystemVerilog方面，很多主流仿真器的支持其實并不是一步到位完成的，而是在一系列并購后集成進來的。GalaxSim在這方面，可以發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采用全新的設計框架，更好實現(xiàn)SystemVerilog的豐富語法，讓整個compile flow無縫對接，避免不斷“打補丁”帶來的技術冗余與滯澀，提供更完整、一體化的驗證解決方案。

以性能為例，runtime是仿真器的一項重要技術指標。大多數(shù)國際主流仿真器在過去數(shù)十年都做了大量的工作。然而，compile time 也是性能的一部分。近5-10年，隨著設計規(guī)模越來越大，compile time 也日益成為性能瓶頸。而且，compile time 和 run time常常是矛盾的。GalaxSim使用創(chuàng)新底層架構，在提高runtime性能的同時，兼顧了compile time的控制。

四、“蝶變”：GalaxSim的迭代歷程

敏捷開發(fā)意味著快速的軟件迭代。GalaxSim 的迭代歷程，比較類似于一個胚胎的成長過程。胚胎每一步的變化并不大（比如細胞分裂），然而，經過足夠的變化，最終就會由量變到質變，就像蝶變一樣。

如何確保GalaxSim的迭代是按照我們設計的方向，而不會走偏呢？這里面，軟件的迭代又非常像生物的進化，我們需要設計好一個目標（生存條件），以及一個進化環(huán)境。根據(jù)前文所述，GalaxSim從0到1的第一階段目標，是要演變成一個至少滿足4個約束條件的仿真器。

以終為始，設計迭代目標

第一階段我們會以終為始，根據(jù)上文提到的四點對仿真器的硬性要求，分別制定多維度可量化的迭代目標，通過不斷的調試達成各項指標。

4.2 進化環(huán)境的搭建

如何確保軟件向著我們設置的目標進化，而不是走偏，進化環(huán)境至關重要。芯華章的研發(fā)團隊為此專門搭建了一套內部CICD flow， 包含了回歸測試系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包含了大量的測試用例，各種測試基準（benchmark）。GalaxSim在這些用例中的表現(xiàn)結果會被實時監(jiān)控。尤其是性能方面，我們的系統(tǒng)引入了類似銀行的記賬功能。每個研發(fā)環(huán)節(jié)導致的slowdown都會被記錄備案，每一筆帳都可以追溯。這些嚴苛的環(huán)境，確保了軟件最終的性能及質量。

值得一提的是，這套系統(tǒng)是我們在第一天就開始著手搭建的，與GalaxSim的核心代碼是同步開發(fā)的。

4.3 Galaxsim的主要迭代節(jié)點：

五、現(xiàn)狀：已獲得一線項目部署

目前GalaxSim已經在中科院半導體所、芯來科技等若干客戶的一線項目中得到應用，性能符合客戶預期。

六、總結

在未來，GalaxSim的進化還會繼續(xù)，并擁抱更多的創(chuàng)新，最終實現(xiàn)國產數(shù)字仿真器的超越。

接下來，我們將結合GalaxSim的具體性能表現(xiàn)、技術指標以及對數(shù)字仿真器主流技術趨勢的分析，繼續(xù)探討一款高性能、高精度的數(shù)字仿真器應該具備哪些技術特征。后續(xù)系列文章請大家關注、指導。