Functional verification is a critical bottleneck in integrated circuit development, with CPU verification being especially time-intensive and labour-consuming. Industrial practice relies on differential testing for CPU verification, yet faces bottlenecks at nearly each stage of the framework pipeline: front-end stimulus generation lacks micro-architectural awareness, yielding low-quality and redundant tests that impede coverage closure and miss corner cases. Meanwhile, back-end simulation infrastructure, even with FPGA acceleration, often stalls on long-running tests and offers limited visibility, delaying feedback and prolonging the debugging cycle. Here, we present ISAAC, a full-stack, Large Language Model (LLM)-aided CPU verification framework with FPGA parallelism, from bug categorisation and stimulus generation to simulation infrastructure. To do so, we presented a multi-agent stimulus engine in ISAAC's front-end, infused with micro-architectural knowledge and historical bug patterns, generating highly targeted tests that rapidly achieve coverage goals and capture elusive corner cases. In ISAAC's back-end, we introduce a lightweight forward-snapshot mechanism and a decoupled co-simulation architecture between the Instruction Set Simulator (ISS) and the Design Under Test (DUT), enabling a single ISS to drive multiple DUTs in parallel. By eliminating long-tail test bottlenecks and exploiting FPGA parallelism, the simulation throughput is significantly improved. As a demonstration, we used ISAAC to verify a mature CPU that has undergone multiple successful tape-outs. Results show up to 17,536x speed-up over software RTL simulation, while detecting several previously unknown bugs, two of which are reported in this paper.


翻译:功能验证是集成电路开发中的关键瓶颈,其中CPU验证尤其耗时且劳动密集。工业实践中依赖差分测试进行CPU验证,但在框架流程的几乎每个阶段都面临瓶颈:前端激励生成缺乏微架构感知,导致生成低质量且冗余的测试用例,阻碍覆盖率收敛并遗漏边界场景;而后端仿真基础设施即使采用FPGA加速,也常在长时运行测试中停滞,且可观测性有限,延迟反馈并延长调试周期。本文提出ISAAC——一个全栈式、基于大型语言模型(LLM)辅助且具备FPGA并行能力的CPU验证框架,覆盖从缺陷分类、激励生成到仿真基础设施的全流程。为此,我们在ISAAC前端设计了融合微架构知识与历史缺陷模式的多智能体激励引擎,生成具有高度针对性的测试用例,快速达成覆盖率目标并捕获难以发现的边界场景。在ISAAC后端,我们引入轻量级前向快照机制以及指令集模拟器(ISS)与待测设计(DUT)间的解耦协同仿真架构,使单个ISS能并行驱动多个DUT。通过消除长尾测试瓶颈并充分利用FPGA并行性,仿真吞吐量得到显著提升。作为验证,我们使用ISAAC对一个已完成多次成功流片的成熟CPU进行验证。实验结果显示,相较于软件RTL仿真,速度提升最高达17,536倍,同时检测出多个先前未知的缺陷,本文报告了其中两例。

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第30届算法与计算国际研讨会(ISAAC 2019)将于2019年12月8日至11日在中国上海举行。该研讨会旨在为算法和计算理论的研究人员提供一个论坛。官网链接:http://itcs.shufe.edu.cn/isaac2019/
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