引言

隨著集成電路規(guī)模的不斷擴大，從設(shè)計到流片（Tape-out）的全流程中，驗證環(huán)節(jié)的核心地位日益凸顯。有效的驗證不僅是設(shè)計完美的基石，更是確保電路在實際應用中穩(wěn)定運行的保障。尤為關(guān)鍵的是，邏輯或功能錯誤是導致流片失敗的首要原因，占比高達50%。功能驗證正是解決這一難題的利器，它助力工程師精準識別邏輯設(shè)計漏洞、性能不達標問題以及設(shè)計代碼中的功能缺陷，從而最大限度地規(guī)避流片風險。
針對超大規(guī)模集成電路（VLSI）設(shè)計，目前功能驗證有兩種方法：動態(tài)仿真驗證和形式驗證（Formal Verification）。形式驗證采用數(shù)學方法來比較原設(shè)計和修改設(shè)計之間的邏輯功能的異同，而動態(tài)仿真驗證是對兩設(shè)計施加相同的激勵后，觀測電路對激勵的反應異同。
面對大型設(shè)計，傳統(tǒng)的動態(tài)仿真驗證方法在覆蓋率和效率上面臨挑戰(zhàn)。為了達到100%的覆蓋率，動態(tài)仿真驗證所需要的矢量就會越多，這時形式驗證在這方面就有優(yōu)勢了，成為現(xiàn)代IC設(shè)計驗證流程中的關(guān)鍵一環(huán)。本文就以 “芯天成EsseFCEC”工具為例，來介紹形式驗證的流程和基本概念。

01

什么是形式驗證

形式驗證是一種基于嚴格數(shù)學推理的設(shè)計驗證技術(shù)，它摒棄了物理測試與模擬的依賴，專注于通過靜態(tài)、全面的邏輯分析來確保設(shè)計的正確性。此方法顯著降低了對龐大測試集的需求，并力求實現(xiàn)接近完美的驗證覆蓋率。
形式驗證作為EDA、數(shù)學及編程語言等多學科交叉的產(chǎn)物，自上世紀90年代起便嶄露頭角，最初應用于RTL代碼與門級網(wǎng)表的LEC（邏輯等價性檢查），隨后逐步擴展到各類EDA工具，以應對不同驗證場景的需求。
目前，形式驗證主要分為兩個技術(shù)方向：等價性檢查和屬性檢查。其中。等價性檢查，作為核心驗證手段，通過對比功能驗證后的HDL設(shè)計與綜合后的網(wǎng)表功能，確保兩者在功能層面上的完全一致，從而保證門級電路與寄存器傳輸級（Register Transfer Level, RTL）模型之間的一致性。這一方法有效防范了綜合工具潛在的缺陷及人為誤操作，對于提升設(shè)計質(zhì)量至關(guān)重要。

形式驗證的實施涉及多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
屬性定義（Properties）：精確闡述設(shè)計需遵循的特性與規(guī)范，涵蓋時序邏輯、狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則及各項約束條件。
規(guī)約語言：采用如SystemVerilog Assertions（SVA）、Property Specification Language（PSL）等形式化規(guī)約語言，將屬性與約束轉(zhuǎn)化為可驗證的表達式。
定理證明器（Theorem Provers）：依托形式化邏輯與推理機制，自動驗證屬性是否成立，為設(shè)計邏輯的正確性提供堅實保障。
模型檢查器（Model Checkers）：全面探索系統(tǒng)狀態(tài)空間，尋找可能違反預定性質(zhì)的執(zhí)行路徑，確保設(shè)計在所有可能情況下均能滿足既定要求。
形式驗證的基本流程是一個連貫且系統(tǒng)化的過程。這一過程從明確驗證目標開始，設(shè)計團隊首先需要界定哪些部分或功能需要接受形式驗證的嚴格審查。接著，采用形式規(guī)約語言（如SystemVerilog Assertions、PSL）定義屬性和規(guī)約，作為驗證基礎(chǔ)。進入驗證環(huán)境配置階段，團隊選擇適合的驗證工具（定理證明器、模型檢查器），并依據(jù)設(shè)計特性和需求進行優(yōu)化配置，以確保驗證效率與準確性。
驗證執(zhí)行為核心，定理證明器通過數(shù)學推理驗證屬性與規(guī)約的正確性，模型檢查器則全面探索系統(tǒng)狀態(tài)空間，檢查違規(guī)執(zhí)行序列。驗證結(jié)束后，團隊分析驗證結(jié)果，識別并修正設(shè)計中的錯誤或不一致。此過程可能多次迭代，直至設(shè)計完全符合驗證要求。

02

形式驗證工具的挑戰(zhàn)

形式驗證的流程雖然復雜且嚴謹，但它為設(shè)計團隊提供了一種高效且可靠的驗證方法。通過遵循這一流程，設(shè)計團隊可以顯著降低設(shè)計錯誤的風險，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。然而，隨著現(xiàn)代芯片設(shè)計的復雜性和規(guī)模不斷增長，形式驗證在實際應用中面臨多重挑戰(zhàn)：
復雜性增加，性能不足：現(xiàn)代芯片設(shè)計的復雜性和規(guī)模不斷增長，對驗證工具的性能提出了更高要求?，F(xiàn)有工具在處理大規(guī)模設(shè)計時可能面臨性能瓶頸，導致驗證過程耗時過長。
多樣化的設(shè)計環(huán)境：不同的設(shè)計團隊可能使用不同的設(shè)計語言和平臺，這要求驗證工具具備廣泛的兼容性和集成能力。然而，多樣化的設(shè)計環(huán)境可能導致兼容性和集成性方面的挑戰(zhàn)。
可擴展性需求增加：隨著技術(shù)的不斷進步和新的設(shè)計需求的出現(xiàn)，驗證工具需要具備良好的可擴展性，以快速適應新的設(shè)計規(guī)范和標準。這對工具的開發(fā)和維護提出了更高要求。
復雜的設(shè)計錯誤檢測：在復雜的設(shè)計中，子系統(tǒng)之間的交互和邏輯路徑可能非常復雜，驗證工具需要能夠準確地檢測這些復雜場景中的錯誤和不一致之處。這要求工具具備強大的錯誤檢測能力和智能化的分析手段。

03

芯天成EsseFormal形式驗證軟件

芯天成EsseFormal形式驗證軟件是一款功能全面的驗證解決方案，專為數(shù)字芯片設(shè)計領(lǐng)域的復雜驗證挑戰(zhàn)而設(shè)計。其核心包含五種工具套件，每一種都針對特定的驗證需求提供高效、精準的支持。
EsseFECT（形式化等價性驗證）：該工具專注于驗證C-to-RTL的轉(zhuǎn)換過程中，設(shè)計的等價性是否得以保持。這確保了設(shè)計在不同抽象層次間的轉(zhuǎn)換無誤，是確保設(shè)計一致性的重要環(huán)節(jié)。
EsseFCEC（組合邏輯等價性驗證）：作為EsseFormal的明星產(chǎn)品，EsseFCEC專門用于驗證芯片設(shè)計中各電路模塊之間的組合邏輯等價性。它不僅支持RTL到Netlist的轉(zhuǎn)換驗證，還涵蓋版本間差異的比較，確保設(shè)計更改不會引入錯誤。其強大的綜合優(yōu)化技術(shù)支持（如Clock-gating、multibit register banking和FSM recoding）顯著提升了驗證效率和性能。此外，對DesignWare元件庫的支持以及大位寬datapath驗證的能力，進一步拓寬了EsseFCEC的應用范圍。

EsseFPV（模型檢查）：通過遍歷設(shè)計的狀態(tài)空間，EsseFPV能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計中可能存在的違反預定義屬性的行為，是確保設(shè)計行為符合預期的關(guān)鍵工具。
EsseCC與EsseUNR（實用驗證Apps）：這兩個工具提供了額外的實用功能。EsseCC是一個高效的連接性檢查驗證工具，為用戶提供快速的錯誤檢測以及信號到信號的預期設(shè)計行為驗證。EsseCC以RTL電路和連接規(guī)范作為輸入，快速檢查設(shè)計是否符合連接規(guī)范。而EsseUNR是一款高效的覆蓋不可達性檢查工具。使用傳統(tǒng)的驗證方式，在驗證后期，通過編寫測試用例提升驗證覆蓋率的難度陡然上升。該工具具有更高效、更準確、更易上手的優(yōu)點，可對未覆蓋的代碼進行全面的不可達性檢查。

芯天成EsseFormal的定制化和集成化特點，使得它能夠精準匹配不同用戶的特定需求，從而顯著降低驗證時間，提高驗證的完整性和準確性。其簡潔易用的圖形用戶界面，讓驗證過程更加直觀和高效，即使是初次接觸形式驗證的用戶也能快速上手。

04

驗證發(fā)展方向：覆蓋率的提升

在當前的硬件設(shè)計領(lǐng)域中，隨著設(shè)計復雜度的急劇增加，驗證已成為確保芯片功能和性能可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。驗證技術(shù)的發(fā)展方向，尤其是覆蓋率的提升，成為了行業(yè)關(guān)注的焦點。思爾芯的軟件仿真芯神馳PegaSim通過其創(chuàng)新性的解決方案，與國微芯的形式驗證工具進行無縫集成，為提升驗證的全面性和效率樹立了新的標桿。
覆蓋率是衡量驗證完整性的重要指標，它反映了驗證過程中測試向量對設(shè)計代碼覆蓋的廣度和深度。然而，在復雜的硬件設(shè)計中，往往存在難以觸及的代碼區(qū)域，即所謂的“不可達部分”。這些區(qū)域若未經(jīng)充分驗證，就可能成為潛在的設(shè)計漏洞。因此，提升覆蓋率，特別是針對不可達部分的驗證，對于確保設(shè)計質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。
思爾芯的軟件仿真PegaSim通過與國微芯的形式驗證工具相結(jié)合，實現(xiàn)了對覆蓋率中不可達部分進行深入驗證。這一解決方案不僅增強了軟件仿真過程中的代碼覆蓋率，還通過增加激勵或優(yōu)化代碼的方式，進一步提高了驗證的全面性和準確性。同時，PegaSim還支持對指定模塊或特定代碼行進行精細化的覆蓋不可達性檢查，幫助設(shè)計團隊精準定位并消除無意義或冗余的代碼，從而優(yōu)化內(nèi)在邏輯，提升整體設(shè)計質(zhì)量。
面對日益復雜的硬件設(shè)計，單一的驗證方法已難以滿足全面驗證的需求。因此，驗證技術(shù)的發(fā)展趨勢是多種驗證方法的融合與互補。軟件仿真、硬件仿真、原型驗證、以及形式驗證等方法各有千秋，它們在不同的驗證階段和側(cè)重點上發(fā)揮著不可替代的作用。通過綜合運用這些驗證方法，可以實現(xiàn)對硬件設(shè)計的全方位、多角度檢驗，從而確保設(shè)計的正確性和可靠性。