新思科技:硬件再度成为行业核心

硬件辅助验证技术四十年演进 —— 从在线仿真到人工智能时代的全栈验证

十多年来，硬件辅助验证平台一直是验证工具集的核心。如今，任何重要的半导体项目流片，都离不开仿真或现场可编程门阵列（FPGA）原型验证的核心支撑。该技术已深度融入芯片研发流程，以至于人们容易误以为它自始至终都是行业标配。

但事实并非如此。

若对确切起源稍作放宽，今年大致是硬件辅助验证技术诞生 40 周年，这一概念广义上涵盖硬件仿真和 FPGA 原型验证两大技术。四十年来，硬件辅助验证从一种小众技术，发展成为现代芯片研发不可或缺的核心支柱。从诸多方面来看，它的发展历程也是半导体行业的缩影：随着芯片复杂度不断提升、软件逐步占据主导地位、人工智能开始重塑一切，硬件辅助验证的应用价值也在不断被重新定义。

在硬件辅助验证成为公认的技术门类之前，已有相关技术雏形。例如，IBM 曾通过约克镇仿真引擎、后续的工程验证引擎等系统，开展硬件加速技术的实验。这类设备本质上是仿真加速器 —— 为比传统软件仿真器更快运行硬件模型而设计的专用计算机。它们代表着技术的重要进步，但本质上仍依附于仿真范式：虽提升了运行速度，却远不足以将真实场景应用于被测设计。

硬件辅助验证平台则属于另一类技术架构。早期仿真器依托可重编程硬件（通常为 FPGA 阵列）进行配置，以模拟被测设计的行为。工程师首次能够在芯片流片前，以接近实际的运行速度与芯片的仿真模型进行交互。PiE 设计系统、Quickturn、IKOS、Zycad 等公司成为这一全新验证技术的先驱，为其发展成为半导体研发的核心支柱奠定了基础。

硬件辅助验证的发展历程可大致划分为三个时代：硬件复杂度的提升催生仿真技术的早期时代；软件占据主导、硬件辅助验证向虚拟环境延伸的中期时代；以及人工智能工作负载推动硬件重回架构创新核心的成熟时代。

早期时代：硬件复杂度攀升推动仿真技术崛起

上世纪 80 年代初，半导体设计几乎完全由硬件定义，即便存在嵌入式软件，也仅发挥次要作用。彼时的行业由处理器和图形芯片领域的先驱推动，向着当时堪称惊人的里程碑 —— 百万门级芯片迈进。验证工作主要依赖门级仿真，这也是当时的通用行业标准。

然而，随着设计规模不断扩大，仿真器遭遇了难以突破的性能瓶颈：主机内存有限，不得不将设计数据换入磁盘；仿真运行时间大幅增加，测试向量数量呈爆炸式增长；要实现合格的故障覆盖率，所需的计算量已达到难以管控的程度。流片前的全系统验证即便并非完全不可能，也已变得愈发不切实际。行业亟需一种速度更快、更贴近实际芯片的验证技术。

硬件辅助验证技术应运而生，成为应对这一行业危机的解决方案。早期的硬件辅助验证平台主要以在线仿真模式部署：将仿真器通过物理线缆接入实际的目标系统，工程师得以在搭载真实外设的实际环境中对被测设计进行测试。这一突破具有革命性意义：设计人员不再依赖人工生成的测试向量，而是能够通过真实工作负载验证芯片，实现了人工仿真向量无法企及的真实度，验证工作首次能够模拟芯片实际应用中的表现。

这项技术的发展前景广阔，但早期的实际应用却困难重重。初代仿真器的搭建流程复杂、操作要求严苛、且易出现故障：漫长的搭建周期常常导致验证工作无法按期完成；由线缆和硬件依赖引发的可靠性问题，造成设备频繁停机；平均无故障工作时间以小时计，而非数周或数月，验证团队不得不将更多精力用于调试仿真器本身，而非被测设计。尽管如此，行业发展的趋势已然明确：验证工作已无法再单纯依靠软件完成。

中期时代：软件席卷行业，硬件辅助验证成验证核心支柱

在随后的数十年里，产品功能开始从硬件逐步向软件代码迁移，芯片设计格局发生了深刻变革。马克・安德森在 2011 年提出的 “软件正在吞噬整个世界” 这一观点，精准捕捉到了这一趋势。他的预言在几乎所有与计算机相关的行业中，都得到了惊人的印证。片上系统（SoC）成为软件定义的平台，其智能特性更多体现在固件、操作系统、驱动程序和应用栈中。硬件不再是产品的全部，而是承载软件代码的基础载体。

这一转型彻底改变了验证工作的模式：静态测试模式已无法应对现代设计的全部复杂度。工程师转而采用软件驱动的激励方式，通过高级测试平台对各类功能领域的芯片行为进行验证；硬件验证语言和更抽象的验证方法学也随之出现，以适配这一新的行业现实。

曾主要用于实时在线仿真验证的硬件辅助验证引擎，也完成了适配升级，成为这些以软件为核心的验证环境的底层执行引擎。行业通过基于事务的验证技术（由电气和电子工程师协会 SCE-MI 标准规范化），实现了软件测试平台与硬件映射被测设计之间的标准化交互。工程师不再需要逐周期切换信号，而是能够通过高级事务与被测设计进行交互，验证性能和研发效率得到了大幅提升。

这一转变也突破了早期技术的诸多实际限制：虚拟化环境减少了对物理连接的依赖，摒弃了在线仿真架构中所需的速度适配器；验证知识产权（IP）取代了硬件接口，打造出可扩展的纯数字化验证生态。

随着行业逐步推行左移设计理念，硬件辅助验证平台成为实现这一理念的最强力支撑。它让工程师能够在设计流程的极早期阶段进行软件开发，从裸机初始化开始，逐步延伸至驱动程序和操作系统的开发。验证工作不再局限于孤立的功能正确性检测，而是在芯片物理实体诞生前，就已覆盖整个软硬件系统的行为验证。

至此，硬件辅助验证已远不止是提升验证速度的工具，更逐渐成为连接硬件与软件开发的桥梁，推动研发团队从串行工作转向并行协作，也确立了其作为现代系统验证核心支柱的行业地位。

人工智能时代：硬件重获核心地位，硬件辅助验证迈入全栈时代

2010 年代中期起，在人工智能爆发式发展的推动下，半导体行业迈入全新时代。行业发展的叙事也从 “软件吞噬世界”，演变为更彻底的 “软件定义硬件”。在人工智能时代，软件不再只是运行在硬件之上，而是愈发深刻地定义着硬件的设计方向。现代人工智能模型的极致需求，正从底层重塑处理器的架构设计。

生成式人工智能暴露了传统通用架构的局限性：其海量的数据交互需求和超高的计算强度，让中央处理器（CPU）难以承受，即便是高度优化的系统也面临巨大压力。为跟上技术发展步伐，行业开始采用专用架构，包括图形处理器（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA），以及围绕大规模并行计算和张量计算设计的专用人工智能加速器。

这些技术发展大幅提升了片上系统设计的规模和复杂度：人工智能时代的芯片通常包含数十亿门级电路、异构计算集群，以及能实现处理单元间高效数据交互的先进片上网络（NOC）。详见图 1。

图 1：人工智能处理器高层级框图

（注：框图包含以下核心模块：针对神经网络工作负载优化的人工智能处理器、高带宽内存堆叠、PCIe/NVLink 接口、片上静态随机存取存储器、矩阵 / 张量计算核心、片上网络网格）

在这一行业背景下，硬件辅助验证的应用价值得到了根本性的拓展。

验证工作不再局限于十亿门级以下设计的功能正确性检测，而是需要适配数十亿门级的系统，验证范围也远不止逻辑层面和软件栈：如今的硬件辅助验证平台正被广泛用于评估芯片的功耗与热性能、分析运行表现、验证安全需求、捕捉全系统级的交互行为，以及运行能模拟设计实际应用场景的真实工作负载。

与此同时，在线仿真模式也已发展成为一项关键的工程能力，而非过时的技术模式。这一点在全速 FPGA 原型验证中尤为明显：在设计投入量产前，必须通过该技术对真实的物理接口进行全速验证。通过让被测设计在研发早期就能与实际的物理层（PHY）硬件交互，在线仿真技术能发现纯虚拟环境中无法暴露的集成、时序和信号完整性问题，从而在流片前大幅提升硬件和软件设计的可靠性。

同样重要的是，人工智能硬件与其软件生态密不可分。编译器、运行时环境、函数库、计算核心和部署框架不再是后续补充的环节，而是决定硬件成败的关键。因此，硬件辅助验证平台被用于在芯片物理实体诞生前，运行真实的人工智能工作负载，确保软硬件协同演进，而非串行开发。架构设计与实际运行之间的反馈循环，也愈发多地在流片前完成，而非等到首片芯片投片之后。

从这个意义上来说，人工智能时代的验证工作已真正迈入全栈时代。硬件辅助验证不再只是一项验证工具，更成为软硬件协同设计的融合载体，催生了一种全新的行业范式 ——软件驱动的流片。

结语：硬件辅助验证 —— 软硬件融合的核心引擎

历经四十年演进，半导体行业完成了一次轮回：硬件复杂度的提升，让仿真技术成为行业实际需求的必然产物；随后的软件时代拓展了硬件辅助验证的应用边界，使其与虚拟环境、更丰富的软件栈和更广泛的系统级研发流程深度融合；如今，人工智能革命正再次重塑行业格局，让硬件重回创新核心，也对技术的专用化、效率和规模提出了前所未有的要求。

然而，最根本的变化在于 “核心地位” 的内涵：硬件不再是先设计、后编程的独立环节。本十年的核心行业趋势是软件定义设计—— 芯片架构的塑造，既取决于晶体管、互连线路和逻辑结构，也同样受制于编译器、运行时环境和工作负载需求。软硬件之间的界限已逐渐模糊，融合成为一个紧密耦合的工程问题。

硬件辅助验证平台正处于这一融合的核心节点，其定位已不再是孤立的正确性检测工具，而是验证架构设计意图的关键环境：在这里，硬件与真实软件实现交互，性能假设在真实工作负载下得到验证，系统级的设计权衡在仍可进行有效设计修改的阶段被充分暴露。在软件驱动流片的时代，硬件辅助验证成为了芯片物理实体诞生前，实现设计闭环的核心机制。

硬件再度成为行业核心，并非因为软件的重要性下降，而是因为软件的重要性已达到全新高度，甚至开始定义硬件本身。

行业的成功评判标准也随之发生转变：选择硬件辅助验证平台，不再只是看其能验证多少门级电路的功能正确性，而是看其能否在流片前，对软件驱动的各类应用场景进行完整的运行、分析和优化。在这个新时代，硬件不再只是软件创新的基础，更已成为推动软件创新的核心引擎之一。