晶片中整合的電晶體數(shù)量不斷增加，造成電路設(shè)計與驗證挑戰(zhàn)遽增。面對日益縮短的上市時程壓力，晶片設(shè)計人員已開始改用運行速度更快且總體擁有成本(Total Cost of Ownership)更低的硬體模擬設(shè)備，取代傳統(tǒng)電路試驗板或軟體模擬器，以加速晶片驗證與除錯速度。

　　雖然摩爾定律現(xiàn)在規(guī)定約兩年內(nèi)使積體電路中的電晶體數(shù)目增加一倍，但趨勢是設(shè)計/器件會繼續(xù)變得越來越大。

　　如今，平均設(shè)計尺寸達(dá)到或超過五千萬專用積體電路(ASIC)門，并且有些單個模組已超過一千萬門。大部分的半導(dǎo)體公司的高端設(shè)計通常超過一億門。處理器/圖形公司的最大設(shè)計已達(dá)到十億門，或許在不久的將來會超越這一數(shù)量級。

　　驅(qū)動設(shè)計復(fù)雜性急劇上升的因素是在現(xiàn)有產(chǎn)品中，或在全新設(shè)計中添加新特性和新功能的旺盛需求，如果說晶片硬體復(fù)雜性驟升得還不夠，實現(xiàn)產(chǎn)品差異化的嵌入式軟體暴漲又使驗證更為復(fù)雜。工程團(tuán)隊難以承受讓產(chǎn)品更快推向市場的壓力，迫使工程人員必須不斷創(chuàng)新。

　　晶片復(fù)雜性高　電路試驗板無法驗證

　　雖然工程師擁有豐富的驗證選項，但其中大多數(shù)存在著固有缺點，在數(shù)位電路設(shè)計初期，晶片復(fù)雜性的范圍介于幾百門到幾千門，設(shè)計可透過電路試驗板進(jìn)行原型驗證。使用嵌有電晶體-電晶體邏輯電路(TTL)邏輯器件(例如SSI/MSI晶片)的電路試驗板，可在晶片量產(chǎn)(Tape Out)前在目標(biāo)系統(tǒng)環(huán)境中驗證和調(diào)試(Debug)設(shè)計。由于是在實際運行條件下測試設(shè)計，因此可確保功能正確性。

　　如果晶片復(fù)雜性達(dá)到一萬門，則電路試驗板將會無用武之地，并最終被基于事件驅(qū)動演算法的邏輯模擬器取代。這一變化催生了電子設(shè)計自動化(EDA)行業(yè)，EDA是電腦輔助工程(CAE)早期縮影。事件驅(qū)動模擬器支援精確的功能和時序驗證，目前仍在寄存器傳輸級(RTL)使用，不過鮮少在邏輯閘(Gate Level)級使用。

　　RTL軟體模擬器易于使用且經(jīng)濟(jì)高效，具有先進(jìn)的調(diào)試功能。不過，當(dāng)設(shè)計尺寸達(dá)到一億門時，由于緩存未命中和記憶體交換，執(zhí)行速度會迅速下降。雖然通過PC伺服器群與平行化軟體模擬器可以緩解執(zhí)行時間驟降，但無法使用其來測試本質(zhì)上屬于串列流程的嵌入式軟體。

　　在設(shè)計為在200MHz下運行的一億門電路中，即時執(zhí)行1秒將需要執(zhí)行兩億次回圈。即使對于最快的CPU(具有可觀緩存大小和巨量RAM)，樂觀的假設(shè)是，如果每秒可執(zhí)行一百次回圈，RTL軟體模擬器也需要三個多星期才能運行完整個設(shè)計。

　　模擬器執(zhí)行效能低落會阻止事件驅(qū)動軟體模擬器有效率的測試設(shè)計正確性。事件驅(qū)動軟體模擬器最適合用于模擬實際電路行為的一小部分，這意味著有些功能性故障會檢測不到，工程團(tuán)隊要承擔(dān)代價高昂的設(shè)計返工(Respin)。

　　針對形式(Formal)或靜態(tài)驗證方法的優(yōu)點，可產(chǎn)生完全列舉的測試向量，卻無法針對電路設(shè)計的功能面進(jìn)行驗證。采用動態(tài)測試是唯一的可用選項，特別是在必須測試嵌入式軟體(軟體驅(qū)動程式、即時操作系統(tǒng)或自訂應(yīng)用程式)的情況下。 硬體驗證語言(HVL)，例如e語言、Vera以及C/C++類測試功能庫，透過批量生成無法手動創(chuàng)建的測試來提高生產(chǎn)效率。功能驗證范圍工具可以提升工程師對用HVL創(chuàng)建的測試平臺的可信度，但不會減少應(yīng)用這些測試所需的時間量，也無法用于開發(fā)嵌入式軟體。

　　硬體輔助驗證工具可以縮小工程師目標(biāo)與傳統(tǒng)邏輯驗證結(jié)果間的差距。以下幾種驗證工具可協(xié)助減少目標(biāo)與結(jié)果的差距：

　　現(xiàn)場可編程閘陣列(FPGA)原型

　　基于FPGA的原型可用于處理嵌入式軟體驗證。原型基本上都是電路試驗板，其中用FPGA取代SSI/MSI部件。

　　由于可程式設(shè)計器件問世，內(nèi)部開發(fā)的FPGA原型也已出現(xiàn)。遺憾的是，隨著設(shè)計尺寸不斷加大，F(xiàn)PGA原型開發(fā)也呈指數(shù)增長。當(dāng)所需的FPGA數(shù)超過十個左右的FPGA晶片時，F(xiàn)PGA原型將變得不可用。調(diào)試基于FPGA的原型比較棘手，這迫使工程師處理復(fù)雜的FPGA問題想辦法讓FPGA可容納晶片設(shè)計，而不是花時間調(diào)試晶片設(shè)計功能。經(jīng)常聽說，當(dāng)設(shè)計已進(jìn)入投片階段時，自制的FPGA原型才可使用。

　　為解決這些缺點，幾年前一種家庭作坊式產(chǎn)業(yè)應(yīng)用而生，其目標(biāo)是提供可擴(kuò)展的現(xiàn)成FPGA原型，而且這個趨勢正獲得青睞。此類產(chǎn)業(yè)除去繁瑣的內(nèi)部開發(fā)流程，這正是其成功的主要原因。但對于最大配置，他們也只能處理具有約一億門的設(shè)計。

　　具有除晶片外的最快運行速度是FPGA原型驗證板的主要賣點。相反，用于將設(shè)計映射到原型驗證板的漫長布線/合成時間及相當(dāng)有限的設(shè)計可視性是其兩個主要缺點。

　　硬體模擬

　　硬體模擬正成為一種流行的運行時問題解決方案，基于事件的軟體模擬器對此類問題卻無能為力。與通過RTL軟體模擬器實現(xiàn)的執(zhí)行速度相比，該解決方案要快五至六個數(shù)量級。

　　硬體模擬器并不是一直受到青睞。以前，高昂的擁有成本限制工程團(tuán)隊采用硬體模擬器來測試最大的設(shè)計，例如微處理器和圖形晶片?，F(xiàn)在，隨著新一代硬體模擬器能夠處理高達(dá)幾十億或以上的ASIC閘并提供較低的總體擁有成本，這種情況已得到改進(jìn)。這樣，工程團(tuán)隊就可為廣泛的設(shè)計做出最佳選擇，而不用考慮復(fù)雜性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　作為終極錯誤清除利器，硬體模擬可良好運行。就在晶片量產(chǎn)(Tape Out)前驗證SoC中硬體功能和測試硬體/軟體整合功能正確來說，硬體模擬具有極大價值。 如果硬體設(shè)計人員和軟體發(fā)展人員都使用硬體模擬，則可共用相同系統(tǒng)和電路設(shè)計表示方法。由于組合設(shè)計的軟體和硬體的對晶片功能的解讀，因此他們可一起調(diào)試硬體和軟體間的互動行為正確性，還可以跨越嵌入式軟體與底層硬體間的邊界跟蹤設(shè)計問題，以確定是軟體還是硬體出問題。

　　基于多個抽象層次的調(diào)試方法從最高層次的嵌入式軟體開始，然后逐步下移至低層次的抽象，以跟蹤各個硬體元素的行為。從數(shù)十億個時鐘周期的資料庫開始，軟體調(diào)試器可以將問題局限在數(shù)百萬個時鐘周期內(nèi)。在這個層次上，軟體團(tuán)隊可識別每個問題根源在軟體代碼的哪個部分?；蛘?，他們也可通知硬體團(tuán)隊使用軟體感知硬體調(diào)試方法放大到較低層次的抽象來追蹤分析問題。

　　這種多層次調(diào)試方法對RTL軟體模擬器并不適用，因為其速度太慢以至于不能有效地執(zhí)行嵌入式軟體。同樣，該方法對基于FPGA原型也不適用，因為其缺乏對內(nèi)部電路設(shè)計的可視性和訪問性，無法跟蹤硬體錯誤。

　　當(dāng)今設(shè)計環(huán)境中的硬體模擬系統(tǒng)運行速度更快、更容易使用，并且初期擁有成本更低(圖1)。這些高度可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)高效的工具可以處理多達(dá)幾十億ASIC門。具有較短的設(shè)置時間和編譯時間，可為多工平行使用者提供強大的調(diào)試環(huán)境和支援。機(jī)器本身都封裝在環(huán)保型(較不占空間，耗電低)空間中。

　　圖1　上述RTL軟體類比、FPGA原型和硬體模擬的對比是基于性能、設(shè)置/編譯時間、設(shè)計容量和設(shè)計調(diào)試。

　　更重要的是，硬體模擬器不僅可以連接真實周邊I/O子版(ICE)驅(qū)動的模擬系統(tǒng)，也可使用基于軟體(由模擬器送出Test Vector)的TestBench驅(qū)動的加速系統(tǒng)；硬體模擬針對TestBench可支援多種語言:Verilog、VHDL、SystemVerilog、C++及SystemC語言編寫，也包括可合成的測試Testnech或測試Vector直接將其包含在硬體模擬器內(nèi)。

　　一千萬門設(shè)計的典型性能約為2MHz，一億門設(shè)計的最高速度可達(dá)1MHz。當(dāng)設(shè)計尺寸增加時，相比于事件驅(qū)動電路模擬器，硬體模擬器的性能下降得更少。

　　隨著Time-To-Market壓力越來越大，以及強加給工程團(tuán)隊的不斷升級的硬體/軟體整合和品質(zhì)問題，使得驗證流程成為晶片設(shè)計中具有戰(zhàn)略意義的重要一步。新一代高性價比硬體模擬器為晶片設(shè)計提供理想選擇，這就是為什么硬體模擬已成為批量驗證神器的原因。