芯片验证漫游指南——从系统理论到UVM的验证全视界_刘斌_9787121339011

资深验证专家刘斌（路桑）向您全面介绍芯片验证，从验证的理论，到SystemVerilog语言和UVM验证方法学，再到高级验证项目话题。这本综合性、实用性的验证理论和编程方面的图书，针对芯片验证领域不同级别的验证工程师，给出由浅入深的技术指南：学习验证理论来认识验证流程和标准，学习SystemVerilog语言和UVM方法学来掌握目前主流的动态验证技术，了解高级验证话题在今后遇到相关问题时可以参考。

序（一）

近年来，我国集成电路（IC）产业高速蓬勃发展，与发达国家的技术差距不断缩小。国家集成电路产业基金起到了积极的推动作用。产业基金的第二期将重点投资在集成电路设计领域，预计规模有望达2000亿元。设计领域的投入，将会围绕人工智能、物联网、5G通信、智能汽车、智能电网等国家战略和新兴行业，创造出科技含量更高、能够实现进口替代的高端集成电路芯片。

在这一时代背景下，我国集成电路企业正呈现出数量和规模迅速增长、竞争日趋激烈的态势。在大量资本投入的背景下，企业对IC设计工程型专业人才的需求非常迫切，形成了巨大的人才需求缺口。需求差距表现在两个方面，一方面高校每年毕业的IC设计人才无法满足数量需求。另一方面，毕业生的专业IC技能与企业的实际需求也存在一定欠缺。因此，为了全面推动创新型复合IC工程人才的培养，作为人才培养主力军的高校和集成电路企业之间就需要进行资源共享与深度产学合作，共同推动我国IC人才培养质量的提升。

在产学合作方面，十多年来西安电子科技大学微电子学院通过与英特尔等行业骨干企业的密切合作，积累了丰富的经验，在合作机制、课程体系、教学方法等方面形成了鲜明的特色，为IC创新人才培养奠定了坚实的基础。2015年，微电子学院与本书作者及其所在的英特尔公司携手开展IC教学内容改革与协同育人的产学合作项目，邀请作者到我院客座讲授集成电路芯片验证课程，并在课程结束后优选学生到英特尔和其他众多国内高端IC公司参加实习，进行项目实践并完成工程论文。可以说，将企业实践经验引入教学体系，搭建起良好的产学协同育人平台，使得我院学生在知识体系和实践能力方面获得了显著提升，大大提升了我院人才培养的行业适应度和满意度。我院与英特尔公司建立的研究生培养基地被评为2017年度全国专业学位研究生培养示范基地。

在与作者交流时，得知作者计划将此书作为IC验证工程类教材，我感到非常高兴。我校已经和作者达成一致，将这三年以来逐渐打磨完善的芯片验证课程推广至中国大学慕课（MOOC）在线教育平台，将合作多年形成的优秀工程实践课程成果与全国其他高校分享，共同推进我国IC专业人才培养质量的提升和教学模式改革创新。

作者一直工作在企业研发的一线，是国际IC行业领导者英特尔公司的资深验证专家，具有丰富的工程经验，深知目前IC验证人才所需的知识与能力要求。同时，作者在我校和西安交通大学客座讲授芯片验证课程多年，对验证理论有很深的理解。因此，我相信本书将会成为集成电路验证理论与实践高度融合的不可多得的著作。作者能够坚持多年在我校开展芯片验证工程教学，在校企合作培养集成电路工程型人才中起到带头示范作用，在此我对作者长期致力于产学结合推动高校教育事业的奉献精神表示由衷的感谢与敬意。

在本书出版前夕，我应邀为本书作序，感到非常荣幸。希望本书能为我国集成电路行业的创新型工程人才培养发挥重要的促进作用；希望作者进一步将本书和芯片验证课程向全国推广，为中国集成电路人才培养贡献更大的力量。

张进成

教育部长江学者特聘教授

西安电子科技大学微电子学院副院长

序（二）

数字集成系统的验证，是提高设计芯片一次流片成功的关键。验证工作与设计仿真工作不同，仿真的目的是证明设计方案的正确性，用仿真的方法证明设计方案符合拟定的设计规范；验证工作则是证明设计方案中不存在错误。理想情况下，存在任何设计错误的方案都不应该进入流片，换句话说，进入流片环节的设计方案中不应该存在已知错误。验证过程的目标就是找出设计方案中可能存在的错误。

设计错误很容易造成芯片完全不能工作，而修正错误重新流片不但需要投入额外的费用，更会大大推迟将芯片上市时间，这些风险对于芯片产品的开发来说都是不可接受的。随着芯片制造工艺的更加精细，芯片制造费用的不断增加，芯片功能越来越复杂，验证的重要性也日益增加。

本书作者2010年在瑞典皇家理工学院毕业后，一直从事芯片验证工作，本书是其多年实际工作经验的结晶。全书的内容涉及验证方法及流程设计，也涉及常用数字单元的验证经验。相信本书的内容有益于高等学校数字集成系统设计的高年级学生和研究生的学习，有益于集成电路领域从事数字系统设计的工程师的工作，更有益于直接从事集成电路验证工作的工程技术人员的工作。

中国集成电路产业的发展，正在进入新的高速发展阶段。相信本书的出版定会给集成电路设计行业带来新的知识、成熟的经验，为行业的发展带来新的动力。

王志华

清华大学教授，IEEE Fellow

2018年3月于清华园

前言

在我有限的工作生涯中值得我庆幸的是，刚进入工作岗位时的第一任老板给了我选择的权利——设计岗还是验证岗？因为当时我已经在国外学习了芯片验证的相关知识，也了解了验证的相关事务，于是便选择了验证岗并一直从事到现在。与国内多数验证工程师的入职经历不同的是，我当时是有更多选择的，而选择验证岗，并不是被公司指派到了验证岗。这中间的差别在于，一家认可验证工程师贡献的公司是将验证岗位与其他岗位同等看待的，甚至由于依赖验证质量而会给予验证更多的褒奖。从这两年芯片设计行业的招聘数据来看，验证工程师与设计工程师的薪资是看齐的。尽管验证工程师的春天已经到来，不过我们还需要在芯片设计产业链上制定自己的从业标准，提高验证工程师的从业形象，继而才能摆脱多年以来设计为主，验证为辅的陈旧思想。

参考清华大学魏少军教授在2017年SEMICON大会上的讲稿内容，我国在2020年的芯片设计从业人数需求将从现有的13万人急速增长到28万人，而全国高校每年培养的各类集成电路人才还不到1万人。这中间的人才数量差距对于高校人才培养和企业用人单位都已是严峻的问题。在这么大的人才资源挑战面前，2015年国家教育部发布了关于支持有关高校建设示范性微电子学院的通知，其中包括9所高校建设示范性微电子学院，17所高校筹备建设示范性微电子学院。在提高教学质量、扩充从业人才的同时，该通知要求加快培养集成电路产业急需的工程型人才，建立学院新型用人机制，鼓励教师潜心育人并主动开展产学合作，聘请一定比例的企业专家授课或担任指导教师，引进国外高水平专家，建立一支由专职教师、企业专家和兼职教师组成的师资队伍，推动示范性微电子学院国际化发展。

同样也是在2015年春季，我应西安交通大学微电子学院梁峰教授的邀请，为集成电路专业的硕士研究生开设了“SoC系统验证”英文课程。同年，应西安电子科技大学微电子学院史江义教授的邀请，为集成电路专业的硕士研究生开设了“SystemVerilog芯片验证”课程，到现在已然度过三个春秋。随着课程内容体系的不断打磨完善，以及每学期上百人的课程反馈，院方和学生都一致认为应该将这门课推广到全国。因此在本书出版的同时，我也在积极同西安电子科技大学微电子学院对接，希望通过结合验证课程和本书的出版，在不久的将来通过中国大学MOOC（慕课）网可以让更多集成电路相关专业的学生了解验证的知识，扩大产学结合的影响。让更多在校学生能够接触主流的芯片验证知识，同时也使得芯片设计企业可以获得具备相关技能的人才，达到校企双赢的目的。

响应国家集成电路产业战略是IC从业者的幸事。在与高校展开校企合作的不久，我于2016年春季开始计划将验证课程做成精品课程，从高校教育出发来影响芯片行业对验证岗位的认识，并且为企业输送合格的工程类人才。为了配合这一计划，我创办了“路科验证”的技术订阅号。我创办这个订阅号的初衷一方面是为了督促自己能够定期地输出文章，另外一方面也是可以从验证技术文章中早一点获得读者的反馈来修正本书内容。在2017年夏季，本书的所有内容完成，有赖于张国强先生的引荐，我得以与电子工业出版社签订著作出版合同。不过与计划有点出入的是，此书原本是计划在2017年秋季面市的，这可以为我的学生们提供配套的验证课程教材，也是为了给我的女儿大蒙庆祝生日。结果由于企业项目的压力和对出版过程的乐观估计，一直将此书延迟到了2018年的春季，以至于我的二女儿小蒙已然半岁了。

路科验证订阅号在2017年秋季校招期间发布了一篇文章——《面对这份2017年的IC应届薪资表，我真想再毕业一次！》，引起了验证从业人员的广泛评论和转载。这篇文章也让即将从事验证的大学生们认识到国内IC行业的朝阳形势。我相信，只有正确引导大学生对验证的认识，才可能在未来让这些从事IC行业的精英们将验证的重要性铭记在心，而不论他们将来进入设计岗位、验证岗位又或者是项目管理等其他岗位。

面对日益复杂的芯片系统设计和IP的高度集成方式，验证的重要性日益突出。验证工程师们不再仅仅掌握某一种工具或者某一种语言就可以确保芯片的功能正确。他们需要掌握多种工具和多种语言，并且在项目环节中需要选择合适的工具和方法才有可能满足紧张的项目节点和复杂的设计功能要求。同时，功能正确也不再是芯片的唯一指标，在移动化时代，芯片的低功耗和高性能两大要求也被摆在同样重要的地位。可以说，验证工程师即使掌握了十八般武艺，还需要将它们灵活应用，最终才能做好芯片的“守护人”，为高成本流片扫清障碍，降低流片的风险。

验证工程师的经验提高得比较快，这与他们从事于近似软件代码编写的工作性质有关。验证工程师可以通过快速训练、试错并且再纠正来提升经验。基于这一背景，近些年验证方法学一直借鉴软件开发的手段，不断地在提升验证效率。这也意味着在接下来的时间，验证行业将因为与芯片设计复杂度不断加大的效率代沟而需要不断推出新的工具、语言和方法学来提升其效率。验证岗位的知识“半衰期”要比同行业的其他岗位更短，验证工程师因此需要保持不断学习的心态来武装自己。同时对于高校毕业生，验证岗位的招聘要求也将不断提高。可以预见到是，将来的芯片设计行业需求矛盾在于，需要数量巨大的验证工程师来为芯片质量保驾护航，但日益提高的岗位技能要求又使得高校无法很好地培养验证人才。相比于设计工程师，验证工程师是更趋近于工程型的人才，因此如何能

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