如何构建一款先进的数字仿真器

数字仿真器（Simulator）是一种大型EDA工业软件，是数字验证领域的基础工具之一，也是为数不多的签核（sign-off）级工具。其实历史上第一款 EDA 软件SPICE，就是从仿真开始的。可以说，EDA软件从诞生之日起，就带着强烈的仿真基因。因此，如果没有一款独立自主的数字仿真器，国产EDA实现对国外工具垄断的打破就无从谈起。

目前，行业主流的仿真器，诸如VCS，Xcelium, Questa等，都是国外EDA大厂花了数十年的时间开发、迭代而来的。这些软件内部设计极其复杂、代码量巨大，单单维护的团队人数就可达数百人甚至上千人。由此可见，数字仿真器技术开发难度之大。

合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土。2021年11月，国内系统级验证EDA解决方案提供商芯华章发布了首款数字仿真器产品穹鼎GalaxSim，并得到中科院半导体、芯来科技等用户一线项目部署。GalaxSim在开发过程中，结合国产EDA的迫切需求，选择了合适的技术路线、开发模式，依托研发团队的丰富EDA经验及高效的工作，站在更高的技术起点上，用几年的时间正在追赶国外几十年的路。

现在我们梳理实践所得和浅见，希望与行业同仁进行分享交流，帮助志在推动国内EDA数字仿真器进步的有志之士，提供一些可能的启发和参考，共同建立良好的EDA发展生态。

本篇我们将以穹鼎GalaxSim为例，展示一款商用级别的数字仿真器从0到1的开发过程，包括商用仿真器的技术指标、开发模式、技术路线等方面。

一、数字仿真器的技术要求

数字仿真器在验证中发挥着举足轻重的作用。判断一款国产仿真器是否能真的商用，甚至可以与国际主流选择的仿真器并驾齐驱, 一般要看它是否满足以下四点硬性要求：

1）全面的SystemVerilog语法覆盖

SystemVerilog可以说是最复杂的语言之一，而数字仿真器又是EDA工具中对SystemVerilog支持最全面的工具。

2）高精度

仿真器相对其他验证工具，是sign-off级别的，因此要求仿真器必须严格按照事件驱动型的算法进行仿真调度，符合IEEE1800等标准。

3）高性能

仿真器的性能直接决定了用户在验证上的成本。假如某个优化可以使仿真速度提高2x, 那可以使原本一个月完成的回归测试缩短到二周，从而给客户省掉很大的验证支出。

4）高可靠性

作为大型工业软件，仿真器的设计极其复杂。一款大型软件，涉及到的模块非常多，参与的开发者也非常多。如何确保软件质量可控，在客户的超大设计上能跑几十小时，甚至几周不出现故障，是考验一个仿真器能否真正商用的重要指标之一。因此，作为用户sign-off 的工具，仿真器的故障率必须极低。即使出现故障，也能在很短的时间内排查并修复。

二、开发模式的选择：瀑布式开发VS敏捷开发

编译型数字仿真器的原理如上图所示，它从verilog source到最终机器码生成，中间经历了多个环节。它既具备了Compiler的特点，同时又是一个数字电路仿真器。它集成了多种底层技术，涉及编译、算法、图论等知识。

尽管从概念上，我们可以把这个过程分解成不同的阶段，但是在实际实现上，我们其实很难单独把某一块抽出来。以parser/elaboration阶段为例，这个阶段需要把RTL的语法解析出来。从功能上，它和后面的阶段是不同的。然而，如果把它作为一个模块独立开发，就会面临无法测试的困难。因为有些elaboration的结果，需要到了runtime阶段才可能测出是否正确。

软件开发有两种模式，一种是传统的瀑布式模式，把一个软件划分成若干模块。每个模块都定义好spec，然后分配给各个团队开发；到了一定节点，再进行联调。另一种是敏捷开发，就是快速将flow打通，进行不停地迭代，就像生物界胚胎的成长一样，逐步将软件迭代成熟。

上图给出了两种不同模式的区别。由于Simulator涉及到的环节非常多，有很多任务是有依赖关系的，只能串行开展。如果按照传统的模式，不仅完成所有任务的总时间会变得很长，它还会导致最后联调的时间非常的不确定。因为很多模块的耦合性很强，很多问题需要等到最后所有模块放在一起后才能发现。

基于此，为了降低研发风险，提高开发效率，GalaxSim的开发采用了敏捷开发模式。在敏捷开发模式下，每个任务可以不用一步到位，而是可以先做一个比较初级的版本，从v1开始进行迭代，直到vN。完成每个迭代的时间，是大大短于完成整个任务的时间的。这样，依赖于该任务的其他任务就可以提前开展了。联调阶段的不确定也会大大降低，因为很多问题都可以在前期阶段暴露出来。通过敏捷开发，芯华章的GalaxSim可以更合理地调配资源，并通过大量迭代，使得产品能达到商用要求。

三、技术路线的选择：守正、创新

从0到1，开发一款具备国产自主知识产权的仿真器，肯定不能仅仅做一个me too的产品，需要有创新、超越。我们面临的问题是，做一个怎样的仿真器，能在解决国产替代的基础上，实现最终的超越？这里面既要守正，也要创新。

何谓守正？创新的前提首先要先解决有无的问题。上文提到，不管采用什么技术，仿真器都必须满足四个指标：SystemVerilog、精度、性能、可靠性。因此，任何研发路线与技术的选择，都必须满足以上4个约束条件。

与此同时，我们吸取主流数字仿真器的历史研发教训，针对国内使用环境进行客制化创新。比如在SystemVerilog方面，很多主流仿真器的支持其实并不是一步到位完成的，而是在一系列并购后集成进来的。GalaxSim在这方面，可以发挥后发优势，采用全新的设计框架，更好实现SystemVerilog的丰富语法，让整个compile flow无缝对接，避免不断“打补丁”带来的技术冗余与滞涩，提供更完整、一体化的验证解决方案。

以性能为例，runtime是仿真器的一项重要技术指标。大多数国际主流仿真器在过去数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，随着设计规模越来越大，compile time 也日益成为性能瓶颈。而且，compile time 和 run time常常是矛盾的。GalaxSim使用创新底层架构，在提高runtime性能的同时，兼顾了compile time的控制。

四、“蝶变”：GalaxSim的迭代历程

敏捷开发意味着快速的软件迭代。GalaxSim 的迭代历程，比较类似于一个胚胎的成长过程。胚胎每一步的变化并不大（比如细胞分裂），然而，经过足够的变化，最终就会由量变到质变，就像蝶变一样。

如何确保GalaxSim的迭代是按照我们设计的方向，而不会走偏呢？这里面，软件的迭代又非常像生物的进化，我们需要设计好一个目标（生存条件），以及一个进化环境。根据前文所述，GalaxSim从0到1的第一阶段目标，是要演变成一个至少满足4个约束条件的仿真器。

以终为始，设计迭代目标

第一阶段我们会以终为始，根据上文提到的四点对仿真器的硬性要求，分别制定多维度可量化的迭代目标，通过不断的调试达成各项指标。

4.2 进化环境的搭建

如何确保软件向着我们设置的目标进化，而不是走偏，进化环境至关重要。芯华章的研发团队为此专门搭建了一套内部CICD flow， 包含了回归测试系统，这个系统包含了大量的测试用例，各种测试基准（benchmark）。GalaxSim在这些用例中的表现结果会被实时监控。尤其是性能方面，我们的系统引入了类似银行的记账功能。每个研发环节导致的slowdown都会被记录备案，每一笔帐都可以追溯。这些严苛的环境，确保了软件最终的性能及质量。

值得一提的是，这套系统是我们在第一天就开始着手搭建的，与GalaxSim的核心代码是同步开发的。

4.3 Galaxsim的主要迭代节点：

五、现状：已获得一线项目部署

目前GalaxSim已经在中科院半导体所、芯来科技等若干客户的一线项目中得到应用，性能符合客户预期。

六、总结

在未来，GalaxSim的进化还会继续，并拥抱更多的创新，最终实现国产数字仿真器的超越。

接下来，我们将结合GalaxSim的具体性能表现、技术指标以及对数字仿真器主流技术趋势的分析，继续探讨一款高性能、高精度的数字仿真器应该具备哪些技术特征。后续系列文章请大家关注、指导。