為啥很難創(chuàng)造出新的處理器了？

時(shí)間：2020-04-27 09:59:04

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[導(dǎo)讀]作者：BRIAN BAILEY，譯者：Arvin 責(zé)編：郭芮，出品：CSDN（ID：CSDNnews）隨著RISC-V的成功，許多公司都對(duì)開(kāi)發(fā)自己的處理器感興趣，但這卻是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)...... 以下為譯文： RISC-V處理器指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）的問(wèn)世和最初的成功重新激發(fā)了人們對(duì)定制

作者：BRIAN BAILEY，譯者：Arvin
責(zé)編：郭芮，出品：CSDN（ID：CSDNnews）

隨著RISC-V的成功，許多公司都對(duì)開(kāi)發(fā)自己的處理器感興趣，但這卻是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)......

以下為譯文：

RISC-V處理器指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）的問(wèn)世和最初的成功重新激發(fā)了人們對(duì)定制處理器設(shè)計(jì)的興趣，但是業(yè)界現(xiàn)在正在努力解決如何驗(yàn)證它們的問(wèn)題。過(guò)去20年來(lái)，市場(chǎng)上曾經(jīng)存在的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和工具已經(jīng)被少數(shù)幾家生產(chǎn)處理器芯片或IP內(nèi)核的公司所掌握。

處理器的驗(yàn)證不同于其他IP的驗(yàn)證，甚至不同于SoC的驗(yàn)證。處理器是通用硬件的終極組成部分，它會(huì)產(chǎn)生自己的獨(dú)特問(wèn)題。

Cadence Design Systems公司副總裁兼總經(jīng)理Paul Cunningham說(shuō)：“它可以運(yùn)行任何軟件程序?！?“它是您可以想象到的最可配置的深度狀態(tài)設(shè)備之一。確切地說(shuō)，我已經(jīng)完成了對(duì)CPU的驗(yàn)證，就是說(shuō)您已經(jīng)運(yùn)行了所有可能在CPU上運(yùn)行的軟件程序。當(dāng)然這是非常棘手的。CPU驗(yàn)證是非常困難的?！?nbsp;

在一個(gè)硬件必須盡可能靈活的時(shí)代，在軟件中盡可能多地進(jìn)行操作是明智的。Imperas軟件首席執(zhí)行官Simon Davidmann表示：“一家公司發(fā)現(xiàn)，在處理器中使用一些軟件來(lái)構(gòu)建狀態(tài)機(jī)要比在Verilog中創(chuàng)建狀態(tài)機(jī)要好得多?！?“如果您在Verilog中構(gòu)建狀態(tài)機(jī)并發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則必須重新改造芯片。但是，如果您使用狀態(tài)機(jī)編程構(gòu)建小型控制器，則可以在出現(xiàn)問(wèn)題后再進(jìn)行解決?！?/span>

但這帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題。VTool的首席執(zhí)行官Hagai Arbel說(shuō)：“在最近的一個(gè)處理器驗(yàn)證項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)，您必須讓軟件團(tuán)隊(duì)參與這個(gè)過(guò)程?！薄斑@帶來(lái)了一系列全新的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄冋f(shuō)的是一種完全不同的語(yǔ)言，無(wú)論是技術(shù)上還是心理上。”

第二個(gè)問(wèn)題是驗(yàn)證。西門(mén)子業(yè)務(wù)部門(mén)Mentor的首席技術(shù)專(zhuān)家Duaine Pryor表示：“處理器的好壞取決于它的驗(yàn)證?！?“暴力算法進(jìn)行驗(yàn)證的辦法是不可行的，雖然我們?cè)诟叨撕偷投耸袌?chǎng)都看到了這種趨勢(shì)?！?/span>

無(wú)論處理器內(nèi)核是基于RISC-V還是獨(dú)特的指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA），全面的驗(yàn)證都是至關(guān)重要的。OneSpin Solution的設(shè)計(jì)驗(yàn)證專(zhuān)家Nicolae Tusinschi表示：“用戶(hù)再也不能指望使用傳統(tǒng)處理器在硅芯片上進(jìn)行數(shù)十年的驗(yàn)證了?！?“ RISC-V采納者沒(méi)有特別通行證；經(jīng)驗(yàn)表明，許多開(kāi)源內(nèi)核都經(jīng)過(guò)了弱驗(yàn)證，并且包含許多基本的bug。所有處理器開(kāi)發(fā)人員必須廣泛驗(yàn)證其核心設(shè)計(jì)，記錄所實(shí)現(xiàn)的過(guò)程和覆蓋范圍，并使用戶(hù)能夠利用此驗(yàn)證來(lái)處理包含核心的整個(gè)系統(tǒng)芯片(SoC)設(shè)計(jì)?！?/span>

處理器的某些方面是通用的，與項(xiàng)目規(guī)模無(wú)關(guān)?！疤幚砥黩?yàn)證可以大致分為控制驗(yàn)證和數(shù)據(jù)路徑驗(yàn)證，” Arm的架構(gòu)師和中央工程小組成員Daniel Schostak說(shuō)，“這兩者都不簡(jiǎn)單，都面臨著挑戰(zhàn)。對(duì)于控制驗(yàn)證，主要挑戰(zhàn)是交互組件的數(shù)量并確保覆蓋所有極端情況；而對(duì)于數(shù)據(jù)路徑驗(yàn)證，主要挑戰(zhàn)在于確定邊界情況，以便能夠正確覆蓋這些情況。面積、性能或功率的微體系結(jié)構(gòu)特征會(huì)使這些挑戰(zhàn)進(jìn)一步復(fù)雜化?！?/span>

在開(kāi)源領(lǐng)域，尤其是在RISC-V方面，這個(gè)問(wèn)題更加復(fù)雜。“一方面，您可以進(jìn)行功能驗(yàn)證，” Aldec市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Louie De Luna說(shuō)，“但是隨后您還將進(jìn)行合規(guī)性測(cè)試，您需要確保任何自定義指令均與源代碼兼容。這會(huì)影響您的覆蓋率模型，并且實(shí)際上還沒(méi)有工具流程，所以在這方面仍有許多工作要做。除了學(xué)習(xí)如何使用所有工具外，您還必須了解如何將其用于測(cè)試?！?/span>

持續(xù)變化的復(fù)雜性

盡管自2000年以來(lái)處理器性能沒(méi)有顯著提高，但這并不意味著復(fù)雜性保持不變。 “我們?nèi)匀豢吹教幚砥鞯膹?fù)雜性在增加，” Imagination Technologies的驗(yàn)證平臺(tái)副總裁Colin McKellar說(shuō)，“人們?cè)絹?lái)越希望從處理器中榨取更多，強(qiáng)烈希望擁有某種形式的獨(dú)特功能集或獨(dú)特的做事方式。 ”

對(duì)獨(dú)特性的渴望正在驅(qū)動(dòng)當(dāng)前的趨勢(shì)。“在低端市場(chǎng)，特別是對(duì)于邊緣設(shè)備，功耗和成本約束更加嚴(yán)格；價(jià)格更低。” Mentor的Pryor說(shuō)，“這意味著更緊密耦合的加速、可定制性、甚至刪除指令都非常有價(jià)值。與高端產(chǎn)品相比，較小的設(shè)計(jì)和專(zhuān)屬軟件有助于降低重新驗(yàn)證成本，RISC-V就以較低的成本提供了易于定制的平臺(tái)?？偠灾?，自定義的優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)，并且在更小、更封閉的系統(tǒng)上，推動(dòng)產(chǎn)生了一群新的驗(yàn)證工程師來(lái)面對(duì)處理器(重新)驗(yàn)證問(wèn)題?！?/span>

在高端市場(chǎng)，其他力量也在發(fā)揮作用。Cadence的Cunningham說(shuō)：“處理器架構(gòu)始于向RISC遷移更復(fù)雜的指令。” “這一趨勢(shì)開(kāi)始趨平，我們開(kāi)始進(jìn)入多核系統(tǒng)。然后，我們無(wú)法在多核上進(jìn)行擴(kuò)展。在這一點(diǎn)上，所有新的復(fù)雜性級(jí)別都圍繞著定制的特定體系結(jié)構(gòu)——針對(duì)特定垂直行業(yè)而定制的不同類(lèi)型的計(jì)算引擎，例如AI、圖形或視頻。核心管道的潛在復(fù)雜性可能變化的速度并不快，但是仍然存在。還有更多關(guān)于安全的、有關(guān)推測(cè)執(zhí)行的方面內(nèi)容?！?/span>

推測(cè)執(zhí)行是一種優(yōu)化技術(shù)，已與許多著名的處理器漏洞（例如Spectre和Meldown）相關(guān)聯(lián)。安全性是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)，在這個(gè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)需求仍然在增加。

“安全性是現(xiàn)代處理器的新維度，確保處理器啟用有效安全的硬件Hardware root of trust (HRoT)是關(guān)鍵，” Breker Verification Systems副總裁兼首席營(yíng)銷(xiāo)官Dave Kelf說(shuō)。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，負(fù)面驗(yàn)證（證明除了規(guī)定的機(jī)制之外沒(méi)有其他方法可以訪(fǎng)問(wèn)區(qū)域）非常重要。正式版對(duì)此有好處，但在系統(tǒng)級(jí)別上容量不足。因此，允許指定和分析系統(tǒng)狀態(tài)空間的工具將成為處理器驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)的重要工具箱組件。”

如果期望在處理器上運(yùn)行操作系統(tǒng)，則必須提供其他級(jí)別的支持。Valtrix Systems的聯(lián)合創(chuàng)始人Shubhodeep Roy Choudhury說(shuō)：“通用處理器有望支持所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)以及最頂層的許多應(yīng)用程序?！?這些用例中的大多數(shù)都需要硬件的支持，例如用于虛擬內(nèi)存的TLB / MMU，用于虛擬化的虛擬機(jī)管理程序以及用于浮點(diǎn)計(jì)算的FPU，對(duì)并行執(zhí)行線(xiàn)程的支持涉及內(nèi)存順序和緩存一致性。考慮到用例、處理器單元和交叉產(chǎn)品的數(shù)量，與其他設(shè)計(jì)相比，驗(yàn)證通用處理器是一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)?！?/span>

為驗(yàn)證計(jì)價(jià)

不必逃避執(zhí)行處理器內(nèi)核驗(yàn)證所必須支付的價(jià)格，您可以直接自己支付費(fèi)用，也可以付錢(qián)給其他人替您支付費(fèi)用。

Cunningham說(shuō)：“頂級(jí)處理器公司已經(jīng)進(jìn)行了巨額投資，并且擁有大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，因此他們可以提供出色的產(chǎn)品?！?“必須記住，RISC-V是一個(gè)指令集，它不是CPU的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。實(shí)施必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，并且必須具有足夠的質(zhì)量，并滿(mǎn)足一定的功能，性能和區(qū)域目標(biāo)。Arm不僅僅是一個(gè)指令集，他們提供了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，為此花費(fèi)了數(shù)百萬(wàn)美元?！?/span>

質(zhì)量對(duì)處理器很重要?！癆rm在每個(gè)核心上運(yùn)行大約1015條指令，” Imperas的Davidmann說(shuō)，“一般的RISC-V開(kāi)發(fā)人員或IP提供商甚至都沒(méi)有硬件仿真器，他們無(wú)法進(jìn)行任何數(shù)量的驗(yàn)證。多年來(lái)，當(dāng)人們購(gòu)買(mǎi)Arm或MIPS和Power處理器時(shí)，他們依賴(lài)于IP供應(yīng)商進(jìn)行驗(yàn)證?！?/span>

但是，并非所有內(nèi)核都那么大或那么復(fù)雜。Imagination的McKellar說(shuō)：“如今，許多RISC-V項(xiàng)目規(guī)模都很小，而且復(fù)雜性是可以控制的?！?“與驗(yàn)證相關(guān)的費(fèi)用不會(huì)很大。但是，當(dāng)您開(kāi)始提高性能或添加多線(xiàn)程等并行化的方式增加復(fù)雜性時(shí)，它可能會(huì)迅速增長(zhǎng)。我可以想象，半數(shù)試圖制造復(fù)雜處理器的公司將會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)太大的挑戰(zhàn)，而食物鏈上的人們將會(huì)停止與之相關(guān)的資金，因?yàn)樗馨嘿F，而且不一定能正常工作?！?/span>

Codasip副總裁Jerry Ardizzone對(duì)此表示贊同?！拔覀兊囊粋€(gè)客戶(hù)打算使用開(kāi)源的RISC-V內(nèi)核和開(kāi)源工具，創(chuàng)建108個(gè)可重復(fù)的協(xié)同處理器，但遇到了一些問(wèn)題。首先，他們必須證明核心功能有效。然后，他們意識(shí)到該內(nèi)核可用的唯一測(cè)試套件是開(kāi)源的，因?yàn)樗衅渌虡I(yè)工具都在由Arm，Codasip，MIPS和Synopsys等公司開(kāi)發(fā)的工具包中。然后，他們必須證明所有這些處理器都可以處理35條指令以實(shí)現(xiàn)特定的加速，這在開(kāi)源軟件中非常困難。您可以從Arm購(gòu)買(mǎi)所有產(chǎn)品，并確保它能正常工作。您還可以構(gòu)建自己的核心，前提是您知道如何構(gòu)建處理器，并可以確保它不會(huì)被鎖定。但是驗(yàn)證始終是最大的瓶頸?！?/span>

這也可能被證明是相當(dāng)昂貴的?！膀?yàn)證是最困難也是最昂貴的部分，”Ardizzone說(shuō)，“這是一個(gè)瓶頸，至少需要幾個(gè)季度的工作。每次你接觸硬件，你都必須重新驗(yàn)證它。”

對(duì)于開(kāi)源硬件，降低成本是關(guān)鍵賣(mài)點(diǎn)之一。Aldec的De Luna表示：“像Intel和Arm這樣的公司確實(shí)非常擅長(zhǎng)此事，并且您知道，將其集成到SoC中后，您將能夠驗(yàn)證其是否有效?！?“現(xiàn)在，業(yè)內(nèi)人士說(shuō)這并非易事。如果您考慮開(kāi)源社區(qū)，那么很多事情都是基于預(yù)算。該行業(yè)需要建立一個(gè)端到端的流程，只有更多的合作才能實(shí)現(xiàn)?！?/span>

驗(yàn)證技術(shù)

二十年前，有多家公司生產(chǎn)用于處理器驗(yàn)證的工具。當(dāng)時(shí)，大多數(shù)系統(tǒng)公司都擁有自己的專(zhuān)有處理器內(nèi)核。從那時(shí)起，他們都遷移到了大型處理器公司之一，如今，專(zhuān)業(yè)知識(shí)已集中在這些公司中。

“多年的經(jīng)驗(yàn)和方法學(xué)開(kāi)發(fā)在能夠可靠地驗(yàn)證和驗(yàn)證處理器方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，” Pryor說(shuō)，“我們對(duì)處理器廠商在驗(yàn)證流程中推動(dòng)創(chuàng)新和提高效率的方式一直印象深刻。”

最近幫助其他人驗(yàn)證處理器內(nèi)核的咨詢(xún)公司談?wù)摿诉@種體驗(yàn)的重要性?！拔覀兊慕?jīng)驗(yàn)和知識(shí)至關(guān)重要，” VTool的Arbel說(shuō)，“我20年前就開(kāi)始進(jìn)行處理器驗(yàn)證，但是如果這是第一次談?wù)摯祟?lèi)問(wèn)題，我在解決這些問(wèn)題時(shí)就會(huì)遇到麻煩。即使您的處理器很小或很簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)也需要具備這種知識(shí)。有幾種可能的解決方案，我們可能沒(méi)有做到最好的方式。但是與其他類(lèi)型的設(shè)計(jì)相比，您肯定需要以不同的方式解決問(wèn)題?！?/span>

McKellar表示同意?！澳枰獙?zhuān)業(yè)知識(shí)和方法。它們是相輔相成的。如果沒(méi)有專(zhuān)家，這些工具可能沒(méi)有太大價(jià)值。沒(méi)有工具，專(zhuān)家們將為之苦惱，因?yàn)楣ぞ甙趿?。世界上缺乏一流的?yàn)證工程師，許多公司正在相互競(jìng)爭(zhēng)所需的技能。他們中的許多人沒(méi)有足夠的深度去完成他們需要做的事情。”

獲得這些知識(shí)是困難的。Davidmann說(shuō)：“如何測(cè)試一個(gè)處理器基本上已經(jīng)變得封閉起來(lái)，封裝在三、四家大廠商的產(chǎn)品中。”“只是沒(méi)有很多論文、出版物或工具可以提供幫助?！?/span>

有用的建議

Cunningham提供了以下建議。 “首先，也是最重要的，去雇人。確保您知道是否真的要構(gòu)建自己的處理器，如果需要，請(qǐng)認(rèn)真對(duì)待。你需要有人來(lái)領(lǐng)導(dǎo)它。 ”

這一切都始于計(jì)劃。McKellar說(shuō)：“要對(duì)自己的實(shí)際業(yè)績(jī)和上市所需的時(shí)間表保持清醒的頭腦?！?“專(zhuān)注于嘗試限制組合并減少功能。一些高級(jí)功能或功能組合對(duì)最終客戶(hù)而言可能不那么有價(jià)值，但會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間和精力來(lái)正確驗(yàn)證它們。保持開(kāi)放的心態(tài)，因?yàn)闆](méi)有統(tǒng)一的答案。進(jìn)行獨(dú)立審查并接受批評(píng)非常重要，并且要非常注意盡早測(cè)試新事物。您應(yīng)該盡早解決新的困難等事情，花大量的時(shí)間和精力在上面，少花時(shí)間和精力在老的事情上。”

并問(wèn)自己為什么這樣做。Davidmann說(shuō)：“除非您試圖真正做一些創(chuàng)新和定制的事情，否則好的解決方案已經(jīng)存在?！?“如果您想添加一些非常有趣的面料或自定義說(shuō)明，那么也許這就是為什么您應(yīng)該走RISC-V路線(xiàn)的原因。越來(lái)越多的人正在構(gòu)建自己的或配置自己的處理器，這意味著更多的復(fù)雜性，更多的驗(yàn)證以及驗(yàn)證行業(yè)的更多機(jī)會(huì)?！?/span>

開(kāi)源驗(yàn)證

RISC-V顯然已經(jīng)提高了開(kāi)源硬件的概念，一些人質(zhì)疑他們是否也可以期待開(kāi)源驗(yàn)證從這里出現(xiàn)。 SmartDV應(yīng)用工程總監(jiān)Bipul Talukdar表示： “開(kāi)放源代碼模型的成功需要一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)，該基礎(chǔ)架構(gòu)才能創(chuàng)建真實(shí)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品，并將其投入制造并交付市場(chǎng)。 ” “必要基礎(chǔ)架構(gòu)的關(guān)鍵部分是RISC-V驗(yàn)證平臺(tái)，該平臺(tái)可以使用開(kāi)放源代碼規(guī)范以及執(zhí)行ISA的CPU來(lái)準(zhǔn)確地驗(yàn)證設(shè)計(jì)。 ”

一些人看到了希望?！?RISC-V社區(qū)正在共同努力，以幫助找到解決方案，” Imperas Software市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Kevin McDermott說(shuō)，“也許谷歌云使用免費(fèi)的riscvOVPsim參考模型開(kāi)發(fā)和增強(qiáng)RISC-V隨機(jī)指令流生成器的開(kāi)源項(xiàng)目能夠最好地說(shuō)明了這一點(diǎn)?！?/span>

盡管如此，核心EDA工具仍不太可能被開(kāi)源替代。盡管有多年處理這些問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，大型處理器供應(yīng)商仍然在尋找意料之外的bug和漏洞。

原文：https://semiengineering.com/why-its-so-hard-to-create-new-processors/

本文為CSDN翻譯文章。

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