硬件加速和基于FPGA的原型設(shè)計(jì)誕生于1980年代中期，開發(fā)者將當(dāng)時初露頭角的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）率先應(yīng)用于硅前設(shè)計(jì)的原型驗(yàn)證，由此催生了一種全新的驗(yàn)證工具，打破了軟件仿真的主導(dǎo)局面。

最初，硬件加速的實(shí)現(xiàn)過程不僅復(fù)雜且依賴專業(yè)知識，因此發(fā)展受限。然而，在簡化啟動和調(diào)試方面，通過軟件與架構(gòu)層面的持續(xù)優(yōu)化與創(chuàng)新，推動了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。從1990年代中期到21世紀(jì)初，硬件加速逐漸成熟，成為驗(yàn)證復(fù)雜處理器和顯卡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方法。在這一時期，在線硬件加速（ICE）興起，它將被測設(shè)計(jì)（DUT）部署在預(yù)期的物理目標(biāo)系統(tǒng)中，這種方法與FPGA原型設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

硬件加速與FPGA原型設(shè)計(jì)的融合，形成了硬件輔助驗(yàn)證（HAV）平臺，標(biāo)志著下一階段的到來。HAV利用硬件加速實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模設(shè)計(jì)的快速啟動和同步系統(tǒng)的全面調(diào)試——一個模塊中的一步操作會觸發(fā)整個設(shè)計(jì)的協(xié)同推進(jìn)。FPGA原型設(shè)計(jì)則更注重執(zhí)行速度，能夠?qū)崿F(xiàn)與最終設(shè)計(jì)非常接近的復(fù)雜異步操作。盡管這種方法提高了性能，但需要更長的啟動周期。與此同時，分割工具的進(jìn)步使得大規(guī)模原型的開發(fā)突破了十億門的門檻。

盡管HAV在2010年代中期之前發(fā)展相對停滯，但自2018年起，HAV的采用率大幅上升，總收入迅速增長，標(biāo)志著HAV開始復(fù)興。如下圖所示，在整體驗(yàn)證收入中，HAV是目前占比最大的組成部分。

▲EDA驗(yàn)證收入增長（來源：ESDA）

推動HAV增長的因素

HAV增長的主要推動力在于當(dāng)今片上系統(tǒng)（SoC）的硬件和軟件組件日益復(fù)雜。隨著硬件設(shè)計(jì)規(guī)模的擴(kuò)大，完成全面驗(yàn)證所需的周期數(shù)相應(yīng)增加。軟件的日益密集也迫使進(jìn)行更多測試，以確保功能和性能。將設(shè)計(jì)復(fù)雜度和軟件復(fù)雜度（即驗(yàn)證周期數(shù)）分別繪制在x軸和y軸上，得出的面積即代表總驗(yàn)證工作量?？傭?yàn)證工作量在兩個維度快速增長，凸顯出對HAV解決方案日益迫切的需求。

另一個同樣重要的增長推動力在于新型AI硬件的根本特性。與擅長運(yùn)行軟件程序的傳統(tǒng)中央處理器（CPU）不同，AI加速器基于專為大規(guī)模并行計(jì)算設(shè)計(jì)的架構(gòu)，以滿足機(jī)器學(xué)習(xí)算法的處理需求。

CPU與專用AI加速器之間的本質(zhì)區(qū)別源于它們不同的設(shè)計(jì)理念和目標(biāo)工作負(fù)載。CPU是通用計(jì)算的主力，針對指令順序處理進(jìn)行了優(yōu)化，尤其擅長運(yùn)行以逐步執(zhí)行任務(wù)為主的軟件應(yīng)用程序。盡管如今的CPU集成了多個內(nèi)核以實(shí)現(xiàn)并行處理，但其固有架構(gòu)仍面向串行運(yùn)算，在應(yīng)對當(dāng)前人工智能需求時存在擴(kuò)展瓶頸。最尖端的服務(wù)器CPU，如AMD的EPYC系列就采用了這種設(shè)計(jì)，內(nèi)核數(shù)高達(dá)192個，但在面對AI需求時仍顯不足。

相比之下，AI加速器（包括圖形處理單元GPU、張量處理單元TPU和定制專用集成電路ASIC）在架構(gòu)上專為執(zhí)行AI算法而設(shè)計(jì)，能夠同時處理大型語言模型（LLM）中數(shù)以千億計(jì)的參數(shù)。AI加速器的核心優(yōu)勢在于能夠同時執(zhí)行大量計(jì)算，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中至關(guān)重要的矩陣乘法和卷積操作，需要并行處理海量數(shù)據(jù)，而CPU通常難以勝任。

例如，英偉達(dá)的頂尖產(chǎn)品Blackwell GB202 GPU，擁有24,576個計(jì)算內(nèi)核，就體現(xiàn)了這種范式轉(zhuǎn)變。然而，AI加速器的真正優(yōu)勢在于其集成到大規(guī)模系統(tǒng)中的能力。CPU的擴(kuò)展受制于軟件和架構(gòu)，而AI加速器則不同，可以通過高帶寬技術(shù)互連，形成統(tǒng)一的處理中心。英偉達(dá)的GB200 NVL72集成了72個Blackwell GPU和36個Grace CPU，有效地將單個系統(tǒng)內(nèi)的AI內(nèi)核總數(shù)推高至一百萬個以上。這種大規(guī)模并行處理能力對于運(yùn)行復(fù)雜的AI模型至關(guān)重要，因?yàn)樾枰瑫r處理海量數(shù)據(jù)集并執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算。

盡管存在架構(gòu)差異，但CPU和AI加速器都需要通過執(zhí)行軟件工作任務(wù)，進(jìn)行嚴(yán)格的硅前驗(yàn)證。此過程涉及運(yùn)行業(yè)界基準(zhǔn)程序和最終用戶應(yīng)用程序；AI加速器，還需要運(yùn)行LLM。此外，內(nèi)核間的協(xié)同一致性測試進(jìn)一步擴(kuò)展了驗(yàn)證范圍。以RISC-V為例，驗(yàn)證ISA擴(kuò)展會進(jìn)一步增加CPU硅前驗(yàn)證的復(fù)雜性。由于每天需要多次迭代執(zhí)行軟件工作任務(wù)，因此為完成全面測試，需要數(shù)千萬億個驗(yàn)證周期。

AI處理器的驗(yàn)證

在驗(yàn)證AI處理器時，一個獨(dú)特挑戰(zhàn)在于AI模型具有雙重運(yùn)行模式：訓(xùn)練和推理。訓(xùn)練需要處理海量數(shù)據(jù)，以對深嵌在多層深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。該計(jì)算密集型階段可能持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月，要求達(dá)到每秒數(shù)PFLOP吞吐量和TB級內(nèi)存帶寬。推理階段由于數(shù)據(jù)集較小，因此對原始計(jì)算的要求不高，但更加注重低延遲，以便在嚴(yán)格的能耗和成本約束下實(shí)現(xiàn)實(shí)時輸出。

這些運(yùn)算的體量驚人。驗(yàn)證AI硬件加速器和復(fù)雜計(jì)算集群（其中協(xié)同一致性至關(guān)重要）時，通常需要數(shù)千萬億個驗(yàn)證周期，以確保性能、能效、準(zhǔn)確性和可靠性達(dá)到預(yù)期。如此龐大的測試量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了軟件仿真工具的能力，在面對AI工作任務(wù)的復(fù)雜性和并行性時也顯得力不從心。

▲導(dǎo)致千萬億個驗(yàn)證周期需求的主要因素

HAV化解困局

隨著AI模型越來越復(fù)雜、工作負(fù)載規(guī)模愈加龐大，部署HAV平臺勢在必行。

硬件加速器和FPGA原型提供了周期精確、運(yùn)行高速的環(huán)境運(yùn)行這些工作負(fù)載，使開發(fā)者能夠在硅前階段識別并修正設(shè)計(jì)缺陷。

HAV持續(xù)增長的原因顯而易見：AI的興起引發(fā)了單靠軟件仿真已無法應(yīng)對的驗(yàn)證環(huán)節(jié)瓶頸。在通過實(shí)際工作負(fù)載來驗(yàn)證復(fù)雜的AI硬件時，面對速度、容量和可擴(kuò)展性的高要求，軟件仿真和HAV平臺的角色已然發(fā)生改變。盡管軟件仿真憑借強(qiáng)大的調(diào)試能力，在IP、模塊和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證中仍不可替代，但HAV平臺已經(jīng)成為全系統(tǒng)、Multi-Die和芯粒（即系統(tǒng)之系統(tǒng)，SoS）驗(yàn)證的基石，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的硅前驗(yàn)證。

展望未來

推動HAV崛起的幾個關(guān)鍵趨勢，將繼續(xù)促進(jìn)HAV的普及。首先，AI模型日益復(fù)雜，新型架構(gòu)（尤其是在內(nèi)存和通信接口方面快速演進(jìn)的架構(gòu)）不斷涌現(xiàn)，將需要更強(qiáng)大且可擴(kuò)展的驗(yàn)證工具。其次，AI系統(tǒng)對能效和軟件安全日益重視，將推動HAV平臺的部署，用于在實(shí)際工作負(fù)載中對峰值和平均功耗進(jìn)行精確分析并開展全面的安全驗(yàn)證。再者，AI被廣泛應(yīng)用于自動駕駛、醫(yī)療健康等各種場景，針對不同領(lǐng)域的定制化驗(yàn)證方法將變得愈發(fā)重要。

為了滿足這些不斷變化的需求，HAV平臺必須采用多項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新。AI分析工具將提升錯誤檢測和根本原因分析能力，從而顯著提高驗(yàn)證效率?；谠频挠布铀俸驮万?yàn)證將提供可擴(kuò)展性和可訪問性，使設(shè)計(jì)工作流程更加靈活。標(biāo)準(zhǔn)化的驗(yàn)證方法和基準(zhǔn)將促進(jìn)行業(yè)協(xié)作與互操作性。在計(jì)算、AI訓(xùn)練、邊緣AI、汽車、消費(fèi)電子及有線/無線應(yīng)用領(lǐng)域，由于驗(yàn)證設(shè)置各不相同，模塊化驗(yàn)證對于管理超過600億門級別的超大設(shè)計(jì)和復(fù)雜的SoS配置至關(guān)重要。此外，硬件加速和原型驗(yàn)證的融合將帶來更順暢和一體化的驗(yàn)證流程。

總之，AI的快速發(fā)展及軟件開發(fā)日益增長的復(fù)雜性與成本，直接促成了硬件輔助驗(yàn)證平臺的復(fù)興。由于AI硬件加速器在大規(guī)模并行、高算力工作任務(wù)及性能與功耗方面的嚴(yán)苛要求，HAV已成為設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

隨著AI不斷發(fā)展并全面滲透現(xiàn)代科技，HAV在確保性能、低功耗、準(zhǔn)確性、可靠性和軟件安全方面的作用將愈發(fā)重要。通過持續(xù)創(chuàng)新并適應(yīng)AI的發(fā)展趨勢，HAV平臺將在下一代硬件開發(fā)中繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。