Современная цифровая электроника и проектирование интегральных схем требуют высокоэффективных методов верификации для обеспечения корректности и надежности устройств на всех этапах разработки. Верификация на уровне регистрового трансферного уровня (RTL) занимает ключевое место в этом процессе, однако традиционные методы симуляции сталкиваются с ограничениями в производительности и масштабируемости. В условиях роста сложности микросхем и требований к времени вывода продуктов на рынок инженеры и исследователи сосредоточены на разработке ускоренных и доступных решений. Важным шагом в этом направлении становится проект GEM — GPU-ускоренная RTL-симуляция, вдохновленная архитектурой эмуляторов, который предлагает новый взгляд на решение привычных задач верификации, открывая новые возможности в дизайне и тестировании цифровых схем. Проблемы традиционной RTL-симуляции обусловлены высокой вычислительной нагрузкой и временными затратами.
CPU-симуляторы, несмотря на свою универсальность, зачастую не способны эффективно масштабироваться для больших и сложных проектов, что приводит к долгому времени симуляции и значительным затратам ресурсов. Альтернативой служат FPGA-базированные эмуляторы, которые обеспечивают высокую скорость, но требуют значительных финансовых вложений и не всегда доступны широкому кругу специалистов в области аппаратного проектирования. Попытки ускорить RTL-симуляцию с помощью GPU рано или поздно упирались в архитектурные особенности графических процессоров, которые плохо подходят для однородного исполнения разнородных частей схемы из-за ограничений модели SIMT (Single Instruction, Multiple Thread). Проект GEM решает эту проблему инновационным образом. Авторы разработали виртуальную архитектуру VLIW (Very Long Instruction Word), адаптированную для эффективного исполнения CUDA – программной платформы NVIDIA для работы с GPU.
Эта архитектура позволяет упорядочить и синхронизировать работу многочисленных вычислительных потоков, что кардинально снижает проблему разветвлений и нерегулярных обращений к памяти, характерных для классической RTL-симуляции. Такой подход напоминает процесс проектирования FPGA, где логика схемы подвергается трансформации и оптимизации под специализированное железо. GEM создает аналогичное соглашение внутри GPU, что позволяет раскрыть потенциал параллельных вычислений, гарантируя масштабируемость и высокую производительность. Уникальная архитектура и тщательно разработанный поток трансляции логики обеспечивают значительное преимущество GEM в сравнении с существующими методами. Авторы докладают, что их решение достигает ускорения симуляции до 64 раз относительно лучших CPU-базированных симуляторов.
Это не только значительно экономит время, но и снижает требования к дорогостоящему оборудованию, что делает высокоскоростные RTL-симуляторы доступными для широкой аудитории разработчиков и исследователей. Такая демократизация технологий способствует ускоренному развитию проектов, уменьшению расходов и повышению качества цифровых устройств. Кроме того, GEM рассматривается как новое направление в области верификации цифровых схем, совмещающее принципы программной эмуляции и аппаратного ускорения. Это позволяет не только использовать мощность GPU, но и сохранить гибкость и удобство разработки, неизменно важные для качественной проверки сложных проектов. С помощью данной технологии можно создавать более сложные и масштабные модели, которые ранее были труднодоступны для симуляции из-за ограничений времени и ресурсов.
Исследование и разработка GEM проводятся в рамках кампуса ведущих технических вузов и компаний, ориентированных на Circuits and VLSI Design. Публикация результатов исследования была одобрена и представлена на конференции Design Automation Conference 2025, что подтверждает научную значимость и практическую ценность работы. Работа заслужила номинацию на премию Best Paper Award, подкрепляя свою актуальность и инновационность. Внедрение этой технологии в промышленные процессы разработки цифровых микросхем обещает существенные преимущества. Ускорение симуляции уменьшает циклы обратной связи между проектировщиками и тестировщиками, что способствует более быстрому выявлению и исправлению ошибок на ранних этапах проектирования.
Это, в свою очередь, снижает общие затраты и увеличивает надежность конечного продукта. Благодаря открытым исходным кодам и доступности решений, представленным в рамках GEM, компании и отдельные разработчики получили возможность применять передовые методы верификации без значительных финансовых вложений. В современном мире, где скорость инноваций и качество продукции имеют огромное значение, GEM предоставляет эффективный инструмент, способный повлиять на будущее индустрии цифровых схем. Объединяя преимущества GPU-вычислений и архитектурных идей эмуляторов, технология эффективно преодолевает традиционные барьеры симуляции RTL, предлагая масштабируемую, доступную и высокопроизводительную платформу. Появление подобных инициатив открывает двери для новых исследований в области аппаратного ускорения симуляторов и задает тенденции на ближайшие годы.
Таким образом, GEM — это не просто шаг вперед, а настоящий прорыв в сфере цифровой верификации, который сочетает инновационные идеи с практическими решениями. Для специалистов по проектированию и тестированию микросхем данная технология становится незаменимым инструментом, повышающим эффективность работы и качество конечного продукта. Интеграция GPU-ускоренных методов в повседневную практику разработки и верификации открывает перед индустрией новые горизонты возможностей и достижений.
