如今，芯片開發(fā)競爭愈發(fā)激烈，芯片制造商迫切希望芯片在送到實驗室后，能盡快完成相關工作并盡早發(fā)貨。更準確地說，他們希望從芯片送達實驗室到將產(chǎn)品交付給客戶，整個過程僅需數(shù)小時的時間，而不用耗費數(shù)天或數(shù)月。這就要求整個系統(tǒng)（包含芯片及其上運行的所有軟件）必須提前準備就緒，并按預期運行。

軟件已成為當今電子系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。從虛擬現(xiàn)實（VR）頭顯，到高等級自動駕駛汽車，這些由軟件驅動的系統(tǒng)都依賴于精密的復雜算法，才能讓從元宇宙沉浸式體驗到高級駕駛輔助系統(tǒng)等功能得以實現(xiàn)。

先進片上系統(tǒng)（SoC）和Multi-Die系統(tǒng)中的軟件內容呈爆炸式增長，使得開發(fā)過程變得復雜而耗時。若要確保滿足產(chǎn)品上市時間要求，硬件設計和軟件開發(fā)就必須齊頭并進，而不能等到硬件設計完成后再開始軟件開發(fā)。而軟件啟動（bring-up）旨在確保軟件功能完全正常、與目標芯片進行了正確集成并針對目標芯片進行了優(yōu)化，它對確保整個系統(tǒng)的質量和性能至關重要。

面對這些挑戰(zhàn)，開發(fā)者該如何才能更快、更高效地完成軟件啟動過程？在Multi-Die系統(tǒng)中，每個異構芯片都可以是一個擁有完整軟件堆棧的獨立系統(tǒng)，且所有芯片必須協(xié)同工作，才能實現(xiàn)Multi-Die系統(tǒng)的功能。那么，大型Multi-Die系統(tǒng)會對軟件啟動流程產(chǎn)生怎樣的影響呢？本文將重點介紹Multi-Die系統(tǒng)的復雜性和相互依賴性給軟件啟動帶來的新挑戰(zhàn)，以及虛擬原型和電子數(shù)字孿生等技術如何幫助開發(fā)者應對這些挑戰(zhàn)。

Multi-Die系統(tǒng)的軟件啟動需要些什么？

Multi-Die系統(tǒng)已逐漸成為半導體設計的主流，讓開發(fā)者可以更迅速地擴展系統(tǒng)功能、降低風險并縮短產(chǎn)品上市時間。對于AI、ADAS、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和高性能計算等計算密集型應用，Multi-Die系統(tǒng)已成為系統(tǒng)架構的首選。

Multi-Die系統(tǒng)將多個芯片（也稱Chiplets）融合在一個封裝中，帶寬和功耗表現(xiàn)出色，可滿足各種應用不斷提高的功能需求。Multi-Die系統(tǒng)的模塊化架構可幫助芯片開發(fā)者更迅速地打造新的產(chǎn)品型號，從而更快抓住多個終端市場的機會。

與單片系統(tǒng)相比，Multi-Die系統(tǒng)使軟件變得更錯綜復雜，甚至也讓開發(fā)變得更困難。單片SoC通常由具有特定組織結構的團隊，按預先確定的日程安排開展開發(fā)工作。Multi-Die系統(tǒng)由多個芯片組成，而這些芯片可能采用了不同的制程節(jié)點，因此傳統(tǒng)的流程是行不通的。

從技術角度來看，十年前由多個PCB組成的系統(tǒng)，如今已演變?yōu)榭捎蓡蝹€Multi-Die系統(tǒng)代替。這其中的軟件復雜性變化不言而喻。除了在各個芯片的硬件上調試軟件堆棧外，開發(fā)者還需要對整個系統(tǒng)進行集成和測試。數(shù)據(jù)通過復雜的Die-to-Die接口在芯片之間不斷流轉，例如通用芯?；ミB技術（UCIe）（通常基于PCIe或CXL）。這些接口需要進行正確的軟件設置和編程。隨著軟件虛擬機監(jiān)控程序的加入，情況變得更加復雜，因為軟件虛擬機監(jiān)控程序會使用復雜的虛擬化功能和半虛擬化軟件驅動程序（如單根輸入/輸出虛擬化（SR-IOV）標準）來共享硬件接口。在單個PCIe主機/設備中開發(fā)和調試這些設置已非易事，而對于包含多個此類接口的復雜Multi-Die系統(tǒng)，更是難上加難。調試工作在技術層面和組織層面都面臨重重挑戰(zhàn)。在技術層面，目前芯片功能不斷增加，但調試接口數(shù)量有限，調試可見性因此受到限制；而在組織層面，調試流程可能要求不同公司的團隊建立聯(lián)系，以了解并共同確定調試方案，其中的困難顯而易見。

為確保最終應用正常運行，量產(chǎn)前就必須將芯片上運行的軟件載入硬件加速系統(tǒng)中，進行超過數(shù)百億個周期的測試。在就Multi-Die系統(tǒng)硬件組件做出任何決策時，都需要綜合考慮軟件的影響。軟件在不斷發(fā)展，因此測試過程也要隨之持續(xù)演變。

加速軟件啟動的關鍵技術

在新設計的硬件上進行軟件調試，是為了使軟件中的設置與目標器件的特性相匹配。換句話說，軟件必須與硬件相匹配，才能確保功能正常，使系統(tǒng)達到出色性能。此過程包括由專用控制器對芯片進行底層初始化，并對主操作系統(tǒng)進行調試。軟件實際上是一個多層整體堆棧，其中可能包括提供服務的中間件、設備驅動程序或與外界通信的元件（如USB或以太網(wǎng)控制器）。

通過采用多種流片前技術在不同的抽象層次進行部署，可以進一步縮短產(chǎn)品上市時間并提高軟件質量。以下列舉了五種技術：

虛擬原型，由開發(fā)者創(chuàng)建事務級模型，其本質是使用C++語言為以RTL語言設計的芯片創(chuàng)建等效模型。這有助于實現(xiàn)流程左移，并支持引導啟動。虛擬原型可在整個軟件開發(fā)團隊中進行擴展。對于主機上的操作系統(tǒng)而言，虛擬原型模型就像是真實的設備。虛擬模型可以連接到真實的物理接口（如PCIe、USB和以太網(wǎng)），也可以連接到硬件加速器或原型上的RTL模型，從而使虛擬原型能夠在現(xiàn)實環(huán)境中進行交互，并為某些類型的測試提供真實的激勵輸入。

對RTL依次使用硬件加速和物理原型系統(tǒng)，這樣可以達到一定的精度，但速度比虛擬原型要慢。這種方法需要成熟的RTL和IP描述。后續(xù)通過應用快速物理原型，開發(fā)者可以將軟件與物理設備連接起來，以驗證芯片在現(xiàn)實中的運行情況。

混合原型，將虛擬原型和物理原型（即基于FPGA）的優(yōu)勢相結合，以加快軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成。硬件和軟件開發(fā)者可以借此提高調試可見性，并更好地控制開發(fā)中的軟件，從而更大限度地優(yōu)化原型性能，并加速系統(tǒng)啟動。

電子數(shù)字孿生，為開發(fā)中的系統(tǒng)提供虛擬表示，以便開發(fā)者在確定最終設計前分析和優(yōu)化設計，并加速軟件啟動、功耗分析和軟件/硬件驗證流程。

除了加速軟件啟動外，這些流片前技術還可以幫助開發(fā)者測量芯片的關鍵性能指標（KPI），有助于盡早驗證性能和功耗，履行對客戶的承諾，從而降低項目風險、減少返工，為按期投產(chǎn)和后續(xù)芯片銷售提供保障。

根據(jù)軟件任務的具體需求，Multi-Die系統(tǒng)開發(fā)者可能要在不同抽象層次上混合使用不同的驗證引擎。鑒于軟件非常多樣化，可以考慮先采用虛擬原型引擎，然后再結合虛擬和物理原型/硬件仿真加速（分別稱為混合原型和混合硬件仿真加速）技術，為軟件開發(fā)者提供支持，同時滿足Multi-Die系統(tǒng)的容量需求。例如，部分流片前軟件可以在硬件加速器上運行，同時通過虛擬原型或建模對其他軟件組件進行抽象處理。在設計流程后期，開發(fā)者還需要對硬件上運行的軟件（也就是整個系統(tǒng)）進行驗證，以確保達到性能目標。

對于Multi-Die系統(tǒng)的軟件啟動而言，混合方法可能最為有效。所有的單個組件都驗證結束后，就可以在大容量硬件加速器上運行整個Multi-Die系統(tǒng)，如最大容量300億門級的新思科技ZeBu硬件加速系統(tǒng)。而通過Synopsys Cloud等解決方案在云端運行硬件加速還為Multi-Die系統(tǒng)提供了更大的容量，并可根據(jù)高峰需求時段的情況更靈活地利用硬件加速器資源。除了ZeBu硬件加速系統(tǒng)外，新思科技驗證系列產(chǎn)品還包括新思科技HAPS原型系統(tǒng)和新思科技Virtualizer虛擬原型解決方案。該系列產(chǎn)品共同提供了早期軟件啟動和系統(tǒng)驗證所需的功能。隨著AI持續(xù)融入電子設計自動化（EDA）流程，機器學習算法也將有可能在軟件啟動期間發(fā)揮關鍵作用，并在軟件調試期間幫助進行根本原因分析。

總結

軟件定義系統(tǒng)為我們帶來了種種新奇產(chǎn)品和工具，例如可以帶我們暢游天南地北的VR頭顯、可以自動泊車和自動駕駛的汽車，以及可以控制家庭照明和暖通空調系統(tǒng)的AI智能揚聲器等等。上文討論的多種流片前技術，有助于加速Multi-Die系統(tǒng)的軟件啟動過程，以確保協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)中的軟硬件，從而實現(xiàn)最終應用的功能和性能目標。硬件加速器和（虛擬）原型系統(tǒng)及其混合組合等驗證解決方案，可為新興技術提供支持，幫助開發(fā)者打造各種智能互聯(lián)的電子產(chǎn)品，進一步豐富我們的智能生活。