在大語言模型時代，急劇增長的底層算力需求和多樣化的創(chuàng)新應用催生了芯片行業(yè)的新機遇。往往機遇與挑戰(zhàn)并存，我們又該如何面對？近日，“從設計到量產，大模型算力芯片IP和IC定制技術研討會”在北京、上海、深圳成功舉辦。在此次研討會上，思爾芯副總裁陳正國發(fā)表了精彩演講。他強調：“大模型算力芯片設計往往呈現(xiàn)出幾個特征，多核架構設計規(guī)模更龐大，內存帶寬與內存容量需求更高、芯片功能與內部結構更復雜等等，因此對數(shù)字驗證EDA解決方案提出了更高的要求。”

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復雜多核、復雜拓撲、復雜挑戰(zhàn)

首先，大模型算力芯片往往包括性能強勁的CPU，還包括GPU（圖形處理單元）、NPU（神經網絡處理單元）和DPU（數(shù)據(jù)處理單元）等多核結構，功能更復雜，對安全性的要求也更高，這就對芯片設計、驗證和測試提出了更大的挑戰(zhàn)。例如，考慮到不同類型的處理單元如何協(xié)同工作，多個大小核的CPU架構在數(shù)據(jù)交互與系統(tǒng)調試方面變得更為復雜。此外，對于每種CPU類型，都需要進行嚴格的規(guī)范測試以確保其按照設計要求正確運行。因此需要幫助開發(fā)者更早發(fā)現(xiàn)錯誤，實現(xiàn)更快的覆蓋率收斂，提升芯片驗證的效率。

其次，復雜的芯片內部拓撲結構也是一項重要挑戰(zhàn)。隨著大模型算力芯片對高速接口和高吞吐量需求的不斷提升，設計者需構建高效的數(shù)據(jù)傳輸和通信網絡。例如，網絡芯片（NoC）架構，由于其能夠支持高速且靈活的通信網絡，并聯(lián)結多個處理和存儲單元，因而不僅需要考慮每個單元的獨立性能，更要綜合考量它們之間的通信與協(xié)同工作方式。同時，Chiplet封裝技術則要求確保芯片之間可以實現(xiàn)高速的互聯(lián)、寬廣的帶寬、低能耗、低延遲，同時還要保持傳輸?shù)母呖煽啃浴姶蟮穆酚晒δ芤约敖y(tǒng)一的內存處理能力等關鍵指標。

大模型算力芯片呈現(xiàn)出的這些特征，極大地增加了系統(tǒng)級芯片驗證的復雜性。一方面設計規(guī)模不斷呈指數(shù)級增長，往往達到幾十乃至數(shù)百億門；另一方面，多核和異構核、軟件內容的日益增多，進一步加劇了系統(tǒng)驗證和測試的復雜度和耗時性。

如何加強功能驗證的覆蓋率和提高驗證效率就成了關鍵因素，它們直接影響到芯片產品的最終成功。面對“如何確保設計正確芯片”，以及“確保芯片設計正確”，思爾芯公司憑借多年的技術沉淀，已經構建了一套完善的數(shù)字芯片前端EDA解決方案，包含架構設計、軟件仿真、硬件仿真、原型驗證、調試工具等，并支持全面上云，滿足多種芯片驗證場景的技術需要。

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如何面對大模型芯片的設計挑戰(zhàn)？

“一個好的架構往往是芯片成功的一半。”陳正國在演講中說道。“傳統(tǒng)的架構設計往往依賴于經驗豐富的架構工程師的經驗和專業(yè)知識。然而，隨著芯片的復雜性和規(guī)模的增加，這種傳統(tǒng)方法已經無法滿足當前的需求。這就要求引入更專業(yè)、更先進的EDA工具來應對新的挑戰(zhàn)。“
在這方面，思爾芯的芯神匠架構設計提供了一個建模、分析、仿真和軟硬件協(xié)作的平臺，在設計之初就實現(xiàn)周密的架構探索。
在硬件設計方面，可以根據(jù)模型庫快速模擬不同理器內核、總線類型、存儲、仲裁機制等配置，運行仿真，直至得到理想的滿足性能和功能的指標的系統(tǒng)架構。在軟件設計方面，該軟件還幫助工程師評估設計質量、激勵機制、配置以及功耗對整體設計的影響，從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能和效率。在性能優(yōu)化方面，支持分析總線通信量、端到端延時、系統(tǒng)吞吐率、最大化內存命中率等。在功耗分析方面，該軟件能夠測量并分析最大瞬時功耗和平均功耗，以及不同任務執(zhí)行下的能耗情況，幫助工程師在設計階段就預見和優(yōu)化能耗問題。在功能安全方面，尤其是在汽車電子應用中，這款軟件能夠提供符合ISO-26262和DO-254標準的分析結果，通過故障注入的方式，檢驗硬件失效、軟件失效、網絡失效、RTOS失效、功耗失效等狀態(tài)下的系統(tǒng)反應，這對于設計符合相關行業(yè)安全標準的芯片至關重要。
陳正國表示：“當我們確定了芯片系統(tǒng)架構后，就轉入代碼編寫、IP集成測試、系統(tǒng)驗證、軟件驗證等階段，思爾芯提供數(shù)字芯片驗證的重要法寶——軟件仿真（芯神馳）、硬件仿真（芯神鼎）、原型驗證系統(tǒng)（芯神瞳），幫助用戶加速其芯片驗證的效率。”

芯神馳軟件仿真是思爾芯打造的一款多語言混合、高性能的商用數(shù)字仿真器，并覆蓋了當前主流的設計與驗證語言標準。并采用創(chuàng)新架構算法，具備高效的仿真和約束求解能力，能夠應對數(shù)億門級的超大規(guī)模數(shù)字設計仿真。
思爾芯還與國微芯展開深度合作，比如：一方面聯(lián)合芯神馳仿真軟件平臺和國微芯的模擬仿真工具，通過標準VPI接口協(xié)同工作，實現(xiàn)了高效的數(shù)模混合仿真；另一方面與國微芯的形式驗證工具相結合，通過芯神馳仿真軟件輸出覆蓋率報告，形式驗證工具進行分析并報告出理論可達，當前測試激勵未覆蓋的部分，并自動生成測試激勵，進而提升總體的驗證覆蓋率。
陳正國還介紹到，為應對芯片設計中算力需求不均衡的問題，思爾芯還與騰訊云合作，將軟件仿真工具部署至云端，不僅提升了仿真并行運行效率，縮短了測試周期，還解決算力需求的波動性的問題。
雖然軟件仿真能夠高效地模擬和分析設計的邏輯和功能，但它通常無法完全捕捉到硬件在實際物理環(huán)境中的細微差異和潛在問題，這就需要用到硬件仿真。
陳正國介紹到，思爾芯的芯神鼎硬件仿真是我們自主研發(fā)的一款全自動、全可視的企業(yè)級硬件仿真系統(tǒng)，憑借多項自主知識產權的核心技術，提供了針對超大規(guī)模集成電路驗證的高效解決方案。芯神鼎提供了便捷易用的軟件系統(tǒng)，集成編譯、運行、調試的完整流程。用戶可依賴它輕松遷移和部署設計，享受 AI 驅動的全自動編譯、MHz 級仿真加速、強大的調試功能、多種仿真驗證模式和豐富的 VIP 庫，全面滿足當前汽車電子、AI、5G、HPC 等熱門應用的芯片設計驗證需求。
原型驗證對于芯片設計驗證同樣重要。思爾芯的芯神瞳原型驗證憑借20年的技術積累，已成為市場上公認的高性能、易擴展、成熟可靠的產品。客戶端已成功部署60億門系統(tǒng)，7*24無故障運行一年多。通過思爾芯提供完整的EDA解決方案，如自動設計編譯與分割軟件、遠程控制與管理工具、多FPGA并行調試軟件，以及豐富的外設接口子卡、內存模型、降速橋方案等，提升驗證效率，縮短芯片的驗證周期。
在自動化和高性能方面，芯神瞳的優(yōu)勢尤為突出。它的全自動編譯流程可以一鍵處理從RTL代碼直至Bitstream生成的流程，支持多種時分復用技術、總線切割技術等，大大提升了原型驗證效率。系統(tǒng)級STA工具提供了完整的系統(tǒng)延時報告，包括用戶設計、TDM IP、板級走線、互連線纜等延時模型，加速用戶的性能迭代與優(yōu)化。

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精準芯策略加速大模型芯片開發(fā)

思爾芯作為國內首家數(shù)字EDA供應商，面向大模型芯片開發(fā)已提供高效的技術方案和戰(zhàn)略布局。圍繞精準芯策略（Precision Chip Strategy, PCS），通過異構驗證方法，以及并行驅動、左移周期方法，確保芯片設計正確，確保設計正確芯片。這不僅是為了應對設計錯誤帶來的高昂成本和錯失市場機會的風險，更是為了滿足大模型芯片開發(fā)中不斷變化的市場需求和技術挑戰(zhàn)。
芯片開發(fā)一直以來都在強調設計的準確性，流片失敗不僅會導致高額的成本損失，還可能使企業(yè)錯過重要的市場窗口。觀察整個芯片開發(fā)流程中，每個階段的設計和驗證需求是各不相同的。為了確保每一步都設計準確，就需要充分的仿真和驗證。為此，思爾芯的異構驗證方法整合了架構設計（芯神匠）、軟件仿真（芯神馳）、硬件仿真（芯神鼎）以及原型驗證（芯神瞳）等多種先進仿真與驗證技術，針對不同階段采用相應的設計與驗證策略。并通過使用通用數(shù)字電路調試軟件（芯神覺）和豐富的外置應用庫/降速橋/VIP，建立統(tǒng)一的設計、驗證與調試環(huán)境。從而在短時間內高效實現(xiàn)“確保芯片設計正確”的目標。在傳統(tǒng)的工作流程中，許多關鍵環(huán)節(jié)，如軟件開發(fā)和系統(tǒng)認證，只能在流片回來上板后才能進行。然而，隨著大模型芯片開發(fā)的快速演進，若是流片后才發(fā)現(xiàn)早期的規(guī)格或架構錯誤，或是并不符合市場需求，就會導致巨大的損失。思爾芯通過“并行周期，左移周期”方法改變了這一點，即在設計初期就開始并行工作流程。使用思爾芯的芯神匠架構設計軟件，團隊能在設計初期就進行高效規(guī)劃和架構設計。隨后，通過芯神瞳原型驗證與芯神匠架構設計的協(xié)同建模，可以提前進行軟件開發(fā)和客戶演示，甚至提前完成各種認證。這種方法大大縮短了開發(fā)時間，同時實現(xiàn)了設計和驗證過程的時間提前，即“左移”，從而又快又好地實現(xiàn)“確保設計正確芯片”。通過這些設計方法和工具，思爾芯幫助客戶大大加速大模型芯片的設計過程，確保設計正確芯片，確保芯片設計正確，在激烈的芯片市場中獲得競爭優(yōu)勢。