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数字芯片设计中为什么用于仿真和性能评估的算法不一样？

数字芯片设计中为什么用于仿真和性能评估的算法不一样？

老虎说芯|Tiger Chip|

2025-02-27 16:30:59 819

在芯片开发过程中，算法的作用贯穿整个设计和验证流程，但不同阶段的算法侧重点和实现方式各不相同。我们可以从目标、精度、实现方式、计算效率等几个维度来理解。

1. 目标不同：仿真追求功能正确性，性能评估追求系统优化

可以用“搭建模型 vs. 真实运营”来类比：

仿真算法 类似于搭建一座房子的3D模型，核心目的是检查设计是否符合预期，比如墙有没有漏、窗户有没有对齐，确保结构上没问题。
性能评估算法 类似于模拟房子在不同天气、负载下的表现，比如风大的时候会不会漏风，地震来了会不会坍塌，甚至要测算采光、隔热效果等细节，评估最终的使用体验和效率。

对于芯片而言：

仿真阶段 重点是验证设计的逻辑正确性，确保RTL代码（电路描述）与算法模型对齐，通常不会过多关注执行速度或资源消耗。
性能评估阶段 重点是衡量整个芯片系统的效率，如功耗、吞吐量、时延等，确保产品达到目标性能。

2. 精度要求不同：仿真可以高精度，性能评估要兼顾现实

仿真算法 可以使用高精度数据类型（如浮点数），甚至比RTL设计更高精度，以便发现潜在的计算误差。例如，仿真时可能会使用 64位双精度浮点数 进行计算，而芯片实际运行时可能只支持 16位定点数，但仿真不在乎这些，只要逻辑正确即可。
性能评估算法 需要尽可能模拟真实硬件环境，通常会限制数据类型和计算精度，以匹配最终的实现。例如：

在通信芯片中，仿真可能会用浮点数计算信号处理，而性能评估时会改用定点数以评估精度损失。
在AI芯片中，仿真可能会用高精度矩阵运算，而性能评估要测试量化后的低精度计算对准确率的影响。

换句话说，仿真算法不怕“过于理想化”，但性能评估算法必须“接地气”，否则评估出来的结果无法指导实际芯片设计。

3. 实现方式不同：仿真重建模，性能评估重优化

仿真算法 主要用语言（如 MATLAB、Python、C++）快速建模，重点是清晰表达数学逻辑，不需要考虑硬件实现的复杂度。
性能评估算法 更接近最终实现，可能需要用 System Verilog、C 甚至 RTL 来测试真实硬件行为，部分情况下甚至会在FPGA或仿真器上运行，以真实测量芯片在不同负载下的表现。

比如：

在AI推理芯片中，仿真时可能用 Python 进行矩阵计算，确保模型逻辑正确；
但性能评估时，需要转换成 低比特量化的运算（如 INT8 或 FP16），然后用 FPGA 测试计算吞吐量和功耗。

这种不同实现方式带来的影响是：

仿真代码通常写得更“数学化”，侧重清晰性，不考虑计算资源消耗。
性能评估代码更贴近硬件，可能会优化访存、并行计算，甚至考虑功耗和热管理。

4. 计算效率要求不同：仿真尽量全覆盖，性能评估要快

仿真算法 可能需要在所有输入情况下检查功能正确性，因此可能会跑大量测试数据集，计算量很大，但可以接受较长的运行时间。
性能评估算法 需要在有限时间内完成，可能会使用缩减版的数据集或者加速仿真技术，如抽样测试、Monte Carlo 方法等，以加快评估速度。

比如：

通信芯片的FEC（前向纠错）算法

仿真阶段可能会测试各种可能的输入比特序列，以确保错误检测和修正的逻辑正确；
但性能评估阶段，可能只测真实网络环境下的典型输入，评估吞吐量、误码率、时延等指标。

AI芯片的推理算法

仿真时可能用全精度数据跑完整的训练集，验证数学逻辑；
但性能评估时，只跑部分数据，并观察不同硬件优化（如缓存优化、流水线并行度）对速度和功耗的影响。

换句话说，仿真强调“ 测试”，性能评估强调“抓关键问题”。

结论：仿真是“造房子的模型”，性能评估是“测试房子的真实性能”

仿真算法：侧重功能正确性，允许高精度和理想化的计算，不考虑资源消耗。
性能评估算法：侧重硬件实现效果，必须考虑计算资源、功耗、吞吐量等因素，通常会优化计算方式。

所以，仿真和性能评估的算法在设计目标、计算精度、实现方式、计算效率等方面都不一样，不能混为一谈。在芯片开发过程中，这两类算法相辅相成，确保芯片既能正确工作，又能满足性能和功耗需求。

免责声明：本文采摘自“老虎说芯”，本文仅代表作者个人观点，不代表英国正版365官方网站及行业观点，只为转载与分享，支持保护知识产权，转载请注明原出处及作者，如有侵权请联系我们删除。

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