硬件仿真技术推动世界最快商用处理器的发展

--分享Sun微系统公司在最近发布的Ultrasparc T2处理器中采用的最新代硬件验证系统的开发经验

Sun微系统公司在以SPARC和UltraSPARC产品线为标志的处理器创新方面有着丰富的底蕴。其最新一代UltraSPARC T2处理器中所采用的CoolThreads技术已为Sun Fire T5220, T5120和T6320系列服务器提供了强大的动力。这些服务器不但功能极其强大，而且也极其“绿色”——其功率只相当于一个电灯泡的水平。技术当然是很棒的，但这些市场领先产品的验证却很具挑战性。

和很多其他公司一样，我们过去一直依靠基于软件的仿真来完成大多数功能验证。然而，随着设计规模变得越来越庞大，系统级集成显得越来越重要，而软硬件协同验证也变得非常关键，我们需要延长验证时间或提高验证性能才能跟上验证复杂度的发展。

软件仿真本身的带宽不足以建立高度的验证信心，也不足以缩短UltraSPARC T2处理器与服务器系统产品化的时间。事实上仿真已经开始成为我们开发周期中的一个瓶颈，有鉴于此，我们必须进一步完善我们的验证环境。

为了让读者对验证任务有个更清楚的认识，在此大概介绍一下UltraSPARC T2处理器。这款处理器在单芯片中包含了所有通用处理器中应有的内核和线程，而且集成了服务器的所有关键功能，包括运算、1G/10G联网、安全、输入/输出(PCIE)，并紧密集成了Solaris操作系统。可以看出，这对我们的验证团队而言是一项意义重大的任务。

我们要做的第一步是开发验证步骤，并通过提供验证团队所熟悉的“类似仿真”的验证环境，并充分利用基于硬件的性能来确定验证团队可以轻松接受的方案。采用这种方案，我们的验证团队就能在面对诸如8处理内核、每内核8线程(即同时采用6?线程执行程序)的多线程验证任务时轻松集成新的技术。我们实质上是要验证6?个CPU同时运行时的情况。由此可以想象，我们的验证任务极端复杂，已经超出了纯软件仿真器能够达到的带宽。

易于使用的硬件验证方案

这里，我们选用了Cadence的Xtreme系列硬件加速和仿真器。Xtreme环境能在单一仿真环境下无缝集成仿真、加速和在线仿真功能。它不但能在不同环境之间切换，而且还可以运行非常长的随机测试，对我们来说这些都是关键功能。此外，我们还发现，该系统所集成的内部工具、各种仿真环境和形式验证技术是对Sun验证技术的很好补充，可以帮助我们实现功能更强大的企业级验证方案。

图1：UltraSPARC T2处理器的高层框图。

我们的验证团队还发现，通过将UltraSPARC T2处理器的设计映射到下层可重配置运算处理器，它们就能运行包含许多随机测试的长仿真，甚至在设计出带之前就完成启动Solaris操作系统之类的任务。

硬件辅助优势在验证启动后开始体现

我们发现，这些硬件系统的自由性和灵活性允许我们进行成效显著的重复验证。例如，我们曾运行过随机测试和定向测试，从中找出了多个缺陷，并在硬件中做出了改正，这对提高生产力有极大帮助。此外，当固件或启动代码就绪后，它们能够快速运行并解决软硬件集成方面的问题。这样，我们就能在一个非常紧张的时间表内逐步识别并改正软硬件缺陷，从而避免成本高昂的重新流片。现在，我们已经能大大缩短从第一块硅片到整个服务器系统发布的芯片产品化时间。

图2：相对性能。

Xtreme还有一些附加功能，其中之一就是VCD-on-Demand。该功能可在验证执行过程中保存仿真过程的某些快照，因而设计师无需花费几天的时间进行重新仿真就能得到某个精确时间窗内的信号波形。这一功能将调试时间从几天缩短到了几小时。此外，利用挂起/继续功能，我们还能将硬件所承担的长仿真任务挂起，腾出资源来完成优先级更高的短期仿真或调试任务。对于该系统帮助我们在仿真和模拟之间建立联系的方式，我们也非常喜欢。我们发现，紧密耦合的软件仿真器以及在软硬件仿真环境之间来回进行热交换的能力可以极大缩短新设计的验证时间。利用Xtreme的在线仿真功能可以在芯片从代工厂回来之前就生成主板、运行系统软件，并准备好许多硅片调试工具。

Sun通过GPL发布了一份OpenSPARC T2技术程序员参考手册和OpenSPARC T2技术微架构规范，并启动了一项NDA开发人员试用计划，从而使开发人员能够对OpenSPARC T2处理器的内部工作情况有一个最初的认识。开发人员可以在www.opensparc.net上获取更多相关资料。

图3：基于T2的服务器具有极大的竞争优势。

追求验证的更高境界

由于需要设计基于CMT的超多线程更大流量的片上服务器，验证效率就显得极为重要，验证团队也将继续挑战验证引擎和方法的极限。为此，我们将继续依靠带宽更大的硬件验证系统来承担新的工作量。诸如Cadence Xtreme和Palladium硬件仿真器这类最优秀的验证工具，配合system verilog 断言和覆盖率驱动的方法，将帮助我们更早更有效地发现设计中存在的问题，从而促进Sun继续追求设计的更高境界，开发出更尖端的技术。

作者：Jai Kumar

验证技术专家

Sun Microsystems