HAVプロトタイピング(Hardware-Assisted Verification Prototyping)とは、電子設計におけるプロセスの一つであり、ハードウェアプラットフォームを用いて、集積回路(IC)、システムオンチップ(SoC)、あるいは複雑な電子システムの初期段階の動作可能なプロトタイプを作成するものです。物理的なハードウェアを活用してデジタル設計をエミュレートまたはプロトタイプ化することで、エンジニアは、最終的な半導体チップが製造される前に、システムの機能検証、不具合のデバッグ、およびソフトウェアの開発を行うことができます。
この手法は、従来のシミュレーションと実際のシリコンとの間のギャップを埋め、シミュレーションのみの場合よりもはるかに高速な実行速度を実現します。HAVプロトタイピングは、ソフトウェアのみのアプローチでは検証に現実的ではないほど長い時間を要してしまう、大規模で複雑な設計において特に有用です。これにより、エンジニアリングチームは設計とリアルタイムで対話したり、包括的なテストを実行したり、迅速に反復開発を行ったりすることが可能となり、これは厳しい市場投入スケジュールを満たし、堅牢な製品を確保するために不可欠です。
現代の製品開発において、HAVプロトタイピングは検証プロセスを加速させるだけでなく、早期のソフトウェア開発、ハードウェアとソフトウェアの統合、およびシステムレベルの検証を可能にします。ハードウェアとソフトウェアが密接に連携し、製品の複雑さが増し続けている今日の高度な電子機器において、これらの機能は不可欠です。
HAVプロトタイピングは、通常VerilogやVHDLなどのハードウェア記述言語(HDL)で記述されたデジタル設計を、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA )や専用のエミュレーションシステムなどのハードウェアプラットフォームにマッピングすることで行われます。HAVプロトタイピングにおける主な手順は以下の通りです:
| ステップ | 説明 |
| 設計の準備とパーティショニング | RTLを解析・最適化し、ハードウェアリソース(複数のFPGAやボードなど)間でパーティション分割を行う。 |
| 総括と実施 | RTLをネットリストに変換し、FPGA /エミュレーションハードウェアにマッピングする。 |
| プロトタイピングと実行 | ハードウェアをプログラムして、動作するプロトタイプを作成し、ワークロードを実行する。 |
| デバッグと分析 | 高度なツールを使用して、波形、トリガー、および状態をキャプチャし、問題点を特定します。 |
| ソフトウェア開発および統合 | シリコンが完成する前から、ファームウェア、ドライバ、およびアプリケーションの早期開発を可能にする。 |
1. 設計の準備とパーティショニング
設計の元のRTL(レジスタ転送レベル)コードは、利用可能なハードウェアリソースに収まるよう、解析・最適化され、多くの場合、分割されます。大規模なSoCの場合、これには設計を複数のFPGAやエミュレーションボードに分割し、すべてのシステムコンポーネントが正しく相互接続されるようにすることが含まれる場合があります。
2. 構築と実装
分割されたRTLコードは、ネットリストに合成され、FPGA またはエミュレーションプラットフォームにマッピングされます。このプロセスにより、高レベルの設計がハードウェアにロード可能な構成に変換され、意図したチップと機能的に同等なものとなります。
3. プロトタイピングと実行
ハードウェアプラットフォームには合成された設計が書き込まれ、動作するプロトタイプが作成されます。これにより、エンジニアはプロトタイプとリアルタイムでやり取りし、テスト・スイート を実行して、実際の動作条件下でのシステムの挙動を観察することができます。この手順はシミュレーションよりもはるかに高速であり、1秒あたり数百万から数十億サイクルを実行することが可能です。
4. デバッグと分析
HAVのプロトタイピング・プラットフォームには、内部信号や状態を可視化する高度なデバッグ・ツールが搭載されています。エンジニアはトリガーを設定し、波形をキャプチャしてシステムの動作を分析することで、機能的なバグやパフォーマンスのボトルネックを特定し、解決することができます。
5. ソフトウェア開発および統合
HAVプロトタイピングの主な利点の一つは、ソフトウェアチームが、シリコンが利用可能になるずっと前から、ファームウェア、ドライバ、およびアプリケーションコードの開発と検証を開始できる点です。この並行開発により、製品全体の完成度向上と市場投入までの期間が短縮されます。
今日のSoCは複雑かつ高度に統合されているため、従来のシミュレーションではシステム全体の検証には不十分です。HAVプロトタイピングは、ハードウェアとソフトウェアの相互作用を含め、システム全体を実環境下でテストするために必要な速度と処理能力を提供します。この機能は、自動車の安全性、ネットワークインフラ、民生用電子機器など、高い信頼性が求められるアプリケーションにおいて特に重要です。
HAVプロトタイピングにより、早期かつ徹底的なシステム検証が可能になるため、コストのかかるシリコンの再設計のリスクを低減し、製品開発スケジュールを前倒しすることができます。また、ソフトウェアチームがハードウェア開発と並行して作業できるようになるため、市場投入までの期間を短縮し、製品全体の品質を向上させることができます。
HAVプロトタイピングの導入は、ハードウェアおよびソフトウェア開発チームに幅広いメリットをもたらします。主な利点としては、以下のものが挙げられます:
| メリット | 説明 |
| 検証サイクルの短縮 | シミュレーションよりもはるかに高速に設計を実行し、検証を迅速化します。 |
| 早期のソフトウェア開発 | ソフトウェアチームは、半導体の製造が始まる前から作業を開始することができます。 |
| システムレベルの検証 | 実環境下でのハードウェア/ソフトウェアの統合を検証します。 |
| 高度なデバッグ機能 | 強力なデバッグツールにより、詳細な可視性を提供します。 |
| 製品品質の向上 | 早期の検証を行うことで、再設計や失敗のリスクを低減できます。 |
| 開発コストの削減 | 問題を早期に特定し、コストのかかる反復作業を回避します。 |
| スケーラビリティ | パーティショニング および相互接続を備えた、数十億ゲート規模のSoCに対応しています。 |
| 柔軟なテスト | パフォーマンス、セキュリティ、およびコンプライアンスの検証に対応しています。 |
| 顧客およびパートナーとの関わり | 早期の評価や外部パートナーとの連携を可能にします。 |
現代の電子機器設計における主要な課題の一つは、シミュレーションと実環境での検証との間のギャップを埋めることです。設計規模が大きくなるにつれて、シミュレーションの処理速度は低下し、システム全体のテストには実用的でなくなってきます。HAVプロトタイピングは、ソフトウェアシミュレーションよりもはるかに高速でスケーラビリティに優れたハードウェアベースの実行機能を提供することで、この課題に対処します。
さらに、HAVプロトタイピングは、ハードウェアとソフトウェアの統合に伴う複雑さを管理し、特定の条件下でのみ発生する見つけにくいバグをデバッグし、業界標準や顧客要件への準拠を検証するのに役立ちます。
| 課題 | HAVプロトタイピングの利点 |
| シミュレーションの処理が遅すぎる | ハードウェア上で設計を実行し、桁違いの高速化を実現する。 |
| 統合の複雑化 | ハードウェアとソフトウェアの相互作用を伴う大規模システムの検証を行います。 |
| 発見が難しい問題のデバッグ | シグナルやステータスに関する詳細な可視性を提供します。 |
| コンプライアンスおよび顧客要件への対応 | 標準や要件の妥当性を検証するための、現実的なワークロード下でのテスト。 |
シノプシス HAVプロトタイピング分野で定評のあるリーダー企業であり、エンジニアリングチームがシステムの検証、ソフトウェア開発、市場投入までの期間を短縮できるよう支援する堅牢なソリューションを提供しています。「シノプシス 」のHAPS®(High-performance ASIC Prototyping System)プラットフォームは、HAVプロトタイピングの主力ソリューションであり、最大規模のSoCや最も要求の厳しいアプリケーションにも対応できるよう設計されています。