1、虛擬原型：芯片設計領域的革新利器

芯片設計公司長期面臨雙重挑戰：既要研發高性能芯片方案，又得縮短周期搶先推新。當下，系統與軟件的復雜度與日俱增，傳統軟件開發方法在當下復雜形勢中弊端漸顯，如介入時間靠后增加了開發周期，難滿足行業發展，革新勢在必行。“Shift Left”——左移開發理念雖并非新興概念，但其在當下愈發凸顯出重要價值。其核心在于盡早進入軟件開發環節，利用虛擬平臺等與硬件設計并發進行早期軟件開發，也可利用軟件將驗證和測試工作提前至設計初期。畢竟，設計初期發現并解決問題，成本和時間投入遠低于項目后期。借助左移開發，芯片設計公司能更主動地把控質量，降低潛在風險及問題定位成本，提升整體開發效率，從而縮短芯片開發周期。在左移開發理念的推動下，虛擬原型技術嶄露頭角，為芯片設計和其配套軟件的開發帶來了全新的思路和方法。

虛擬原型中的虛擬平臺提供全系統仿真能力，能夠在硬件還不具備的情況下提前進行軟件開發。且基于虛擬原型開發的軟件可在項目開發的后續階段直接運行在對應的芯片上，這將大大提高項目的開發效率。且虛擬原型與傳統物理原型相比，虛擬平臺在可擴展性、易用性、調試手段等方面有先天優勢。如物理原型，需要高昂的FPGA、子卡等硬件成本，而且在構建驗證環境時耗時費力。而虛擬平臺則可以輕松地根據設計需求進行靈活調整和擴展，為開發人員提供了更大的自由度和便利性。但物理原型上運行的是真實的芯片IP設計，在驗證精準度、IP復用等方面有虛擬原型不可比擬的優勢。虛擬原型考慮到仿真速度等原因，一般在事務級進行建模從而忽略了設計的細節。物理原型仿真的是真實芯片設計，能夠精確仿真芯片的運行細節。同時，對于已有IP也可以直接集成到物理原型中，不需要再投入人力對其重新進行建模。混合仿真解決方案將結合虛擬原型仿真速度、左移開發與物理原型在精確度上的優勢帶來更高效的驗證方案。

2、混合仿真：融合物理原型與虛擬原型的前沿技術

混合仿真不僅能夠助力實現更早的架構優化與軟件開發，還能在關鍵IP（知識產權核）的寄存器傳輸級（RTL）驗證過程中，通過軟件驅動RTL驗證實現更高的驗證效率。混合仿真解決方案讓系統的一部分在硬件原型或硬件仿真器中運行，另一部分在虛擬原型中運行，結合二者的優勢，建構混合驗證系統。混合仿真具有三個主要應用場景，分別是架構探索、支持早期軟件開發以及開展硬件驗證。

• 架構探索

在架構探索階段，需要調整如總線拓撲、內存帶寬、cache結構等系統參數，并結合仿真結果找到最優的芯片架構。在這個過程中，仿真的速度和仿真的精確度都至為重要，前者決定了架構探索效率，后者決定了仿真結果是否可信。在使用混合仿真進行架構探索時，可將需要高精確度但運行速度稍慢的部分使用RTL實現，而不關注的部分使用低精度但仿真速度較快的部分使用事務級模型實現，從而兼顧二者優勢。如，在對SoC中某個外設的訪存帶寬進行優化時，可通過事務級的指令仿真器實現CPU指令的執行，通過在指令仿真器中運行二進制觸發不同應用場景下外設對內存的訪問并進行統計，從而找到瓶頸點和優化方向。

• 早期軟件開發

絕大多數情況下，硬件需要配套相應的軟件才能正常工作，而在傳統開發模式下，軟件團隊一般需要等待硬件開發驗證完成才能投入軟件的適配開發和測試；且在大型的芯片開發過程中，各硬件模塊的開發進度一般是不同的，導致軟件團隊需等待最慢的一個硬件模塊完成驗證才能進行開發，這將拉長整體項目的周期，降低研發效率。因此，通過虛擬平臺使能早期軟件開發可以成為提升項目整體開發效率的關鍵舉措。同時，隨著硬件模塊開發的推進，混合仿真可將已開發完成的硬件模塊集成到虛擬平臺中，使軟件團隊能盡早得使用實際設計的硬件進行開發、驗證。隨著開發進度的進行逐步完成虛擬平臺中各模塊的替代，并最終完全遷移到物理原型中。

• 開展硬件驗證

硬件驗證是確保芯片設計正確性和可靠性的關鍵環節。混合仿真允許在實際的軟件負載下運行硬件系統，這為硬件驗證提供了更加真實和全面的測試環境。通過在實際軟件負載下進行驗證，開發人員能夠更早、更準確地發現硬件設計中存在的問題，如性能瓶頸、兼容性問題等，并及時進行修復和優化，從而提高芯片的質量和可靠性。

3、可擴展的虛擬平臺：混合仿真的堅實基石

可擴展的虛擬平臺是混合仿真得以實現的重要基礎。通過提供各種組件，開發人員可根據設計需求，將這些組件像搭積木一樣拼接成虛擬原型（VP）。在這個VP之上，可運行多種操作系統或應用程序，如Ubuntu、Android、U - boot、RTOS等，為芯片配套的軟件開發和驗證提供豐富測試場景。

以思爾芯的Genesis芯神匠Virtual Platform（以下簡稱 VP）為例，它是一個典型的虛擬原型平臺。該平臺具備高度可擴展性和靈活性，能滿足不同芯片設計項目需求。開發人員可利用Genesis VP提供的豐富組件和工具，以及思爾芯的芯神瞳原型驗證平臺，快速搭建符合項目要求的虛擬原型，加速芯片設計和開發進程。

4、混合仿真的應用場景

• 場景1：系統早期Bring-up

在芯片尚不可用之前，混合仿真解決方案能提供良好的IP 接入，借助虛擬平臺為軟件開發創造有利條件。開發的軟件同時也作為RTL硬件的驗證激勵。開發人員可在虛擬平臺的CPU上運行開發的軟件，作為硬件驗證編寫的測試模型，通過將暫未完成開發的RTL模塊遷移到虛擬平臺，可以盡早地構建完整的驗證系統并bring-up，從而使能早期軟件開發，提升驗證效率。

• 場景2: 降低TAT并提高可調試性

虛擬平臺有助于提高測試覆蓋率、生產力和質量。它具備集成豐富的調試能力，能夠讓開發人員直觀地觀察從代碼到硬件內部寄存器的運行情況，從而提升測試和問題解決效率。開發人員可以根據應用場景在軟件中創建Corner測試，并在思爾芯的芯神瞳原型驗證平臺上執行，提高生產力。同時，在虛擬原型中構建的用例可作為在原型驗證平臺上運行的高性能回歸測試，進一步確保芯片的質量和性能。

• 場景3: FPGA加速提升整體系統性能

利用虛擬平臺和思爾芯的芯神瞳FPGA的混合仿真技術能有效加速仿真時間。對于軟件速度表現不佳的組件，可移植到FPGA實施，剩余部分組件則運行在軟件上。如：客戶先撰寫SystemC or C/C++模型，運行整體系統仿真，判斷哪些模型是性能瓶頸并可通過FPGA執行提升運行效率，然后通過HLS等方法將這些模型轉化到RTL并部署到FPGA再運行仿真，以實現系統仿真性能的提升。

• 場景4: 提高可復用性

混合仿真系統能充分利用已經存在并完全驗證的RTL。在芯片設計中，常常會用到三方IP，或者行為模型SystemC or C/C++尚未準備好的情況；或這些模型雖然可用，但可能具有特定限制，且與 RTL 并不完全等效。此時，重復使用RTL在之前的客戶項目中就具有很大優勢，不必將其轉換為 SystemC模型，而且RTL模型可能已在FPGA中部署，進一步提高開發效率和資源利用率。

5、成功案例 - SW + FPGA開發板

在前面詳細闡述虛擬平臺豐富應用場景的基礎上，下面通過一個SW + FPGA開發板的成功案例，進一步展現虛擬平臺在實際項目中的強大效能與獨特價值。此案例聚焦于圖像處理設計領域。該系統中，CPU扮演核心控制角色，精準調度硬件資源；內存負責存儲圖片，為圖像處理提供數據基礎；而圖像處理器則需頻繁訪問內存以獲取并處理圖像數據。如此復雜且緊密協作的系統架構，對驗證工作提出極高要求，也凸顯出可擴展虛擬平臺應用的必要性。

在圖像處理系統的驗證工作中，采用將系統一分為二的創新策略。具體而言，把Image Processor 2部署在FPGA中運行，考慮到其需要接收圖像數據，在FPGA內部專門設置Frame Buffer（幀緩沖器），用于臨時存儲圖像數據，確保數據能夠穩定、有序地傳輸給Image Processor 2進行處理。系統的其余部分，涵蓋CPU以及各類配套的組件模型，則放置在虛擬原型（VP）中。系統運行時，VP會加載外設的驅動程序，精準捕獲原始圖像，并將其傳遞至FPGA開展處理工作。值得一提的是，VP中還集成圖像顯示等功能模塊，開發人員可直接觀察處理后的圖像情況，極大提升調試效率。此外，VP中還能集成通過軟件實現的圖像處理算法，將其作為Image Processor 1。系統運行后，以Image Processor 1的處理結果作為標準，與FPGA中Image Processor 2的處理數據進行對比，以此驗證FPGA處理的正確性。

總結

思爾芯的Genesis芯神匠Virtual Platform虛擬平臺憑借其獨特的搭建方式和廣泛的應用場景，在芯片設計與驗證領域發揮著不可替代的作用。它不僅為開發人員提供便捷、高效的開發環境，還為芯片的質量和性能提供有力保障，推動著芯片行業不斷向前發展。隨著技術的不斷進步，虛擬平臺有望在更多領域展現其強大魅力，為芯片設計與開發帶來更多創新與突破。