硬件仿真工具首次超越软件Simulation的原因是什么

在过去的两年里，EDA领域发生着一件需要引起重视但似乎没人关注的动向：硬件验证工具（基本上是硬件仿真和基于FPGA的原型验证）的收入超过了HDL或RTL Simulation的收入。

ESD联盟每季度发布的统计报告显示，从1995年到2018年，HDL Simulation的收入一直超过硬件仿真工具1亿美元左右。

然而这一情况在2018年开始逆转，并于2019年，硬件仿真工具销售额超过了Simulation。

为什么会发生这种情况？是否有合理的理由去预测未来？

从历史谈起

在2000年初，最先进的工艺技术节点差不多是180nm，差不多是千万量级的晶体管数量，设计结构由单核处理器、内存块和硬连线逻辑（以一些商业IP和自定义块的形式）组成。

一般都是在RTL设计上运行HDL Simulation，以及通过硬件验证语言（HVL）测试台进行测试，就可以很好地满足硬件设计验证。当时硬件仿真工具还处于初级阶段，仅在电路内仿真（ICE）模式下部署，并处理真实世界的输入，以执行CPU和GPU的系统级验证。

当时，嵌入式软件并不流行，在开发时，它的验证要么在RTL达到稳定后基于FPGA的原型上完成，要么在预生产的芯片Demo上完成。

在随后的二十年中，工艺技术节点不断缩小，硬件设计的复杂性继续增加。这种方法学形成了一个多层次的结构，包括各种处理核心、大量内存以及许多IP和自定义块。今天，最大的设计接近100亿个晶体管，增加了三个数量级。

在硬件扩展的同时，软件也实现了更多的功能。与硬件一样，软件采用多层分层堆栈的形式。

这种状态极大地影响了芯片设计的总体成本，并深刻地改变了设计验证方法。

图2：与工艺技术节点所对应的，设计最先进芯片的成本正在飙升。在28nm及以下，嵌入式软件验证和硬件验证部分的成本最高。来源：IBS

图4显示了每个过程技术节点在硬件验证和软件验证方面的花费，其中软件验证开销已经超过了硬件验证开销。

图3：由于工艺技术节点变小，硬件验证和软件验证的年度预算正在增长。

新的验证/验证要求：数十亿门的万亿次循环

半导体设计领域中的变化影响了设计验证方法，尤其是HDL Simulation，它的吞吐量已经突破天际。考虑下超10亿门的设计中，对硬件和嵌入式软件进行详尽的验证需要什么。

嵌入式软件包括驱动程序、一个或多个操作系统、中间件和应用程序。所有这些都与硬件交互。任何一种情况下的任何异常都会影响到整体，从而使验证/验证团队本已十分艰巨的任务更加恶化。挖掘深层次的错误，无论是硬件还是软件，都需要将其结果进行充分验证。

今天，验证团队必须处理另一项任务。为了在竞争激烈的环境中取胜，新设计必须在提供高性能和低功耗方面优于竞争对手。这两个目标都必须在开发阶段得到验证，然后才能进行设计。

实际上，这意味着需要在十亿个测试中的门设计（DUT）上处理数万亿个验证周期。无论其复杂性如何，任何测试台都无法实现该目标。它只能通过处理真实的应用程序或实际的工作负载基准来满足。

结论

只有硬件辅助验证工具（如硬件仿真器和FPGA原型）才具有引导操作系统和执行验证、仿真和分析DUT所需的整个软件堆栈的吞吐量。

值得注意的是，模拟器和FPGA原型的总拥有成本（COO）明显高于HDL Simulation的COO，这也解释了为什么2018年其收入超过了HDL Simulation的收入。撇开不谈，芯片设计验证小组也必须依靠仿真器和FPGA原型来实现他们的目标。因此，这一趋势将持续下去。