随着越来越多的公司对基于 RISC-V ISA 的设备感兴趣,并且越来越多的内核、加速器和基础设施组件以商业形式或开源形式提供,最终用户面临着越来越困难的挑战确保他们做出最佳选择。
每个用户可能都会有一系列的需求和担忧,这些需求和担忧几乎与 RISC-V 产品的灵活性相同,远远超出了传统的 PPA 指标,扩展到安全和保障问题或质量考虑。这可能包括验证材料的适应性,从而实现架构扩展和必要的验证。
传统上,已经部署了三个级别的原型设计——虚拟原型、仿真和 FPGA 原型,包括它们之间的混合。每个平台随后用于多种目的,包括软件验证、架构验证、硬件功能验证、性能分析等等。
虽然 RISC-V 的设计和软件生态系统正在建立,但配置和验证生态系统却处于落后状态,需要构建新技术。 RISC-V 的灵活性给验证带来了巨大的挑战,超出了固定处理器验证所需的挑战。它还使得硬件与软件的共同开发不仅成为可能,而且是必要的。
共同开发
过去,选择硬件,然后开发软件以在其上运行。对于 RISC-V,硬件通常由软件驱动。 “你必须选择的第一件事是你想要什么标准 RISC-V 选项,”Simon Davidmann 说道,他是 Imperas软件。 “RISC-V 功能集目前有 200 或 300 个选项。您如何知道您的算法是否会受益于浮点单元、SIMD、硬件乘法器,甚至向量引擎?您必须针对应用程序类型或您希望处理器完成的工作计算出您需要且能够负担的硬件功能。这本身就成了一个挑战。”
需要原型来进行此类权衡。 “如果设计师的目标是评估性能并符合目的,那么虚拟原型是唯一可行的选择,”首席营销官 Steve Roddy 说道。 二次曲面。 “构建硬件原型比创建子系统或整个 SoC 的 SystemC 模型耗时 10 到 50 倍以上。 SystemC 虚拟原型通常运行速度足够快,足以回答性能问题,例如在可接受的精度范围内,使用该处理器内核可以获得每秒多少帧的吞吐量,或者功能 X 的峰值和平均带宽要求是多少。”
获得正确的准确度可能很困难。 “这完全取决于准确性和快速旋转模型的能力,”解决方案和业务开发副总裁 Frank Schirrmeister 说道。 动脉IP。 “正确的准确性取决于你的问题的要求,而生成这些并不是微不足道的。如果您是 ASIP 提供商,您将能够从您拥有的任何模板生成这些内容。根据不同的问题,您可能需要管道准确性,您可能需要内存准确性,它不需要完全准确,但当您有 CAD 部门参与时,他们太害怕回答错误的问题。”
但准确性是速度的权衡。 “虽然一些虚拟原型具有周期精确性,但它们通常运行速度太慢,无法获得必要的软件吞吐量,”Imperas 的 Davidmann 说道。 “最高性能的虚拟原型不是性能引擎,因为它们不对处理器管道进行建模。他们从软件的角度来看它,您可以在硬件上编译并运行它,并且您可以通过查看指令计数或近似时序估计来了解近似性能。这应该足以做出这种架构决策。”
通常需要几个原型。 Microchip Technology FPGA 业务部门软件和系统工程高级总监 Venki Narayanan 表示:“我们通常出于两个原因进行原型设计。” “一个是架构验证,以确保我们满足所有性能指标和要求以及功能验证。另一个原因是嵌入式软件和固件开发。我们使用不同级别的原型技术,最常见的是使用我们自己的 FPGA 来开发用于架构和功能验证的仿真平台。我们还使用 QEMU 等架构模型来构建用于性能验证和嵌入式软件开发的虚拟平台。”
可能性的数量正在增加。 “如今,公司使用 RISC-V 进行原型设计的方式有很多种,”RISC-V International 首席技术官 Mark Himelstein 说道。 “这些范围从制造商级别的单板计算机到支持 LINUX 的企业板。仿真环境(如 QEMU)允许开发人员在硬件完成之前进行软件开发,从嵌入式 SoC(来自 Espressif 和 Telink 等公司)到 FPGA(来自 Microsemi 等公司),到处都有现成的部件。英特尔和 SiFive 即将推出的 Horse Creek 主板。”
这又回到了性能/准确性的权衡。 Quadric 的 Roddy 表示:“物理原型需要更多的设计工作,因为您要连接和综合真实的 RTL,但它们可以提供更高的精度和吞吐量。” “FPGA 系统中的物理原型,无论是本土开发的还是来自大型 EDA 公司的,都需要付出努力才能建立起来。但它的运行速度比 SystemC 模型快一个数量级,比全门级仿真快几个数量级。设计团队通常会在 IP 选择过程中从基于 C 语言的模型转向物理模型,以便在 IP 选择后验证实际设计,并作为系统软件开发平台。”
一旦您知道您想要硬件中的哪些功能集,您就可以查看是否有人已经创建了可以满足您大部分需求的解决方案。 “很可能,随着所有供应商的出现,将会有一个商业解决方案满足您正在寻找的类型,”戴维曼说。 “但对于 RISC-V,你不必按原样接受该解决方案。 RISC-V 价值的一个重要部分是可以自由地更改、修改并添加您想要的不同内容。”
选择实施方案
有很多方法可以实现一组功能,例如管道阶段的数量或推测执行功能。每个在功率、性能和面积之间都有不同的权衡。 Roddy 表示:“ISA 风格,无论是 RISC-V、Arm、Cadence 的 Xtensa、Synopsys 的 ARC,都不会真正影响建模和原型设计的目标和权衡。” “无论处理器品牌如何,系统架构师都需要回答有关 SoC 设计目标的问题。在技术层面上,相对于建模和性能分析工具支持,RISC-V 潮流确实在市场上处于稳定的地位。有许多相互竞争的核心供应商,每个供应商都有不同的实现和处理器功能。作为主系统 CPU,它不具备 Arm 的使用寿命,因此 EDA 领域中很少有生态系统参与者能够为各种现成的 RISC-V 内核提供经过广泛验证的、即用型建模支持。 RISC-V 供应商。作为一个可配置、可修改的核心,RISC-V 世界落后于 Tensilica 花费 25 年打造的指令集自动化水平。因此,RISC-V 作为现成的构建块的建模支持较少,并且作为指令集实验平台的自动化程度较低。”
但这只是需要评估的实施的一个方面。它的品质如何?如果要修改的话,如何重新验证呢?
性能是其中最容易评估的。 “这与寻找任何传统处理器供应商没有什么不同,”戴维曼说。 “他们会告诉你这个核心每瓦可以提供这么多 Dhrystones,他们会给你典型的处理器分析数据,这些数据表明这个微架构的运行速度。他们拥有所有这些数据,任何获得处理器核心许可的人都会熟悉这些数据,并会与他们交谈并获取这些信息。他们的数据表中可能有许多可选择的选项,他们会说,“如果你打开这个选项,你会得到这个或那个。”你可以在数据表上、供应商的网站上查看它。 ”
在这个级别,您可能需要循环精度。 “我看到大多数人将其输入模拟器并通过它运行足够的数据来做出合理的决定,”Schirrmeister 说。 “我认为短期内不会转向虚拟原型。一些公司正在谈论 FPGA 原型,您可以在其中拥有自己的单板解决方案。根据您需要回答的问题,您可以决定配置它、生成它,然后将其输入 FPGA 以通过它运行更多数据,并在其之上使用适当的软件例程。该行业拥有足够快的进入仿真器和原型设计的方法,使这成为可能。基本问题是,你希望根据尽可能准确的数据做出决定,但当你想要做出决定时,你可能没有那么准确的数据。”
许多原型必须包含的不仅仅是处理器。 “虚拟平台提供了与其他外部物理硬件功能集成的能力,例如在现实环境中运行的内存和传感器,”Microchip 的 Narayanan 说。 “混合系统可以将虚拟平台与其他外部功能的物理原型结合在一起。 FPGA 仿真和原型设计有助于发现与时序相关的错误,例如竞争条件,因为这更准确且外部函数运行速度更快。”
企业验证
由于处理器设计长期以来都是内部设计,因此没有用于构建处理器的公共验证生态系统,并且 RISC-V 的功能需要比过去更加灵活的验证解决方案。这个创造才刚刚开始。
“有 Dhrystones 或 CoreMark 等行业指标,因此人们可以比较性能,”Davidmann 说。 “但是如何比较验证质量呢?需要有一个公平的竞争环境,以便每个供应商都可以说,‘我们就是这样做的。’我们需要一些质量指标来进行验证。”
这就是开源运动可以提供帮助的地方。 “如果你看看 RISC-V 生态系统,就会发现有大量经验丰富的处理器开发人员,”Schirrmeister 说。 “有两个极端。一是我从供应商那里得到了一个核心,如果它不起作用,那就是它们有问题。另一方面,我拥有完全的自由,自己做所有的事情。在这两个极端之间正在形成一种平衡。你得到的东西是由你的供应商提供一定数量的验证的,然后扩展是你自己的责任。”
这就是指标的用武之地。“ISA 兼容性只是充满复杂性的阶梯中的第一级,只有少数公司能够攀登,”Breker Verification Systems 首席执行官 Dave Kelf 说道。 “原型设计可能是完全确保处理器可靠运行的唯一方法,但利用实际工作负载来驱动这些原型只触及了实际处理器覆盖范围的表面。这与开放 ISA 推动加速开发和上市时间问题的竞争努力是不一致的。”
但这些指标是什么? “在 OpenHW 质量小组中,我们正在努力找出这些指标应该是什么,”Davidmann 说。 “这包括功能覆盖等内容,因为它不仅仅是简单的说明。对于高质量的处理器,您需要的远不止这些。您需要有一种验证方法,可以确信您与参考的比较涵盖了所有内容。功能覆盖率只是表明您已经进行了测试,但这必须与与某种形式的已知参考进行比较的方法相结合。我们将添加故障注入技术,以便可以查明您的测试台是否确实检测到问题。”
图 1:定义 RISC-V 验证解决方案的架构。来源:Imperas
这需要一套工具。 Axiomise 创始人兼首席执行官 Ashish Darbari 表示:“随着 RISC-V 生态系统的成熟,商业实施开始支持特定的细分市场。” “我们看到了对汽车等需要功能安全合规性的市场的支持。我们看到对物联网的支持需要安全性。 RISC-V 供应商正在投资先进的验证技术,包括用于架构建模和性能的虚拟原型。现在可以使用工具来尽早采用正式方法,以便在设计过程的早期消除错误,并避免插入错误,因为设计人员很难通过处理器-内存接口上的模拟来捕获极端情况错误。”
必要的工具之一是能够根据功能列表或功能集生成测试用例。 “自动生成测试内容以驱动原型,并及时考虑验证复杂性是关键,”布雷克的凯尔夫说。 “这些发电机制现在开始出现在市场上。”
结论
生态系统的好坏取决于其最薄弱的组件,对于 RISC-V 来说,这就是 EDA 工具链。造成这种情况的原因是双重的。首先,直到最近,处理器验证工具还没有商业市场。虽然它们过去存在,但它们要么消失,要么被解散到传统处理器公司中。其次,RISC-V ISA 的灵活性创建了一种新的系统级优化方法,需要一套新的工具。人们需要时间来理解这一机会,并出现能够正确解决这一问题的商业工具。
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