Renodeシミュレータで共設計SoC開発を加速

AntmicroのRenodeのようなオープンソース機能シミュレータが、ハードウェア・ソフトウェア共設計においていかに不可欠になるかを実証します。

組み込みシステムは急速に進化し、次世代SoCは複雑さを増しています。Semico Researchによると、この複雑さが設計サイクルの長期化とコスト増大を招いています。新機能、より強固なセキュリティ、より高いパフォーマンスへの顧客要求に応えるため、メーカーは「全スタック」共設計、すなわちハードウェア、ファームウェア、OS、ツールチェーンを同時並行で進化させることを採用しなければなりません。しかし、堅牢なシミュレーションツールなしでは共設計は停滞し、タイムライン延長と予算膨張を招きます。

Renodeのようなオープンソース機能シミュレータがこのギャップを埋めます。ハードウェアとソフトウェアチームが並行してプロトタイピング、テスト、イテレーションを行えるようにし、設計サイクルを劇的に短縮します。以下ではDover Microsystemsとの実例ケーススタディを通じて、Renodeがいかに具体的なメリットをもたらすかを探ります。

ソフトウェアシミュレータが不足しがちな点

Dover MicrosystemsのCoreGuard®テクノロジーは、柔軟でマルチアーキテクチャなシミュレータの必要性を如実に示しています。CoreGuardは、ネットワークベースの攻撃から組み込みプロセッサを保護するハイブリッドサイバーセキュリティソリューションです。その設計は、ホストCPUが実行するすべての命令を監視するセントリプロセッサに依存し、セキュリティ、安全性、プライバシーのルールセットであるマイクロポリシーへの準拠を保証します。セントリはホストプロセッサと歩調を合わせなければならないため、CoreGuardはハードウェアとソフトウェアの緊密な統合、高性能、低消費電力、最小メモリオーバーヘッドを要求します。

Doverのハードウェアチームは標準的なSystemVerilogツールチェーンでRISC-V SoC上にCoreGuardをプロトタイピングしました。一方、ソフトウェアチームはシリコンが存在する前に開発を開始する必要がありました。当初はGitHubで利用可能なRISC-V ISAシミュレータであるSpikeに依存していました。Spikeには2つの主要な制限がありました：

1. 現実的なペリフェラルモデルが欠如しており、チームがUART、ストレージ、その他デバイスを手作業で追加する必要があった。
2. SpikeはRISC-V専用であるのに対し、Doverの初期顧客はRISC-VとARMの両プラットフォームをターゲットとしていた。

これらの課題は、大量のカスタムコードなしでペリフェラルをモデル化できる柔軟でマルチアーキテクチャなシミュレータの必要性を浮き彫りにしました。

Renodeが主要な共設計ニーズにどう応えるか

オープンソース技術とサービスのリーダーであるAntmicroは、まさにこれらの要件を満たすためにRenodeを開発しました。Renodeは階層的でモジュール式のシミュレーションフレームワークであり、複雑なシステム（マルチノード、ヘテロジニアス、MCUレベル、Linux対応構成を含む）で未変更のファームウェアを実行できます。そのコア設計は、コアとペリフェラルを標準インターフェースで接続可能な交換可能なビルディングブロックとして扱い、実際のSoC構築を反映しています。

図1. シミュレートされたRISC-V SoCの例。

各コンポーネント（CPU、バス、ペリフェラル）はプロパティとAPIを公開し、設定ファイルとスクリプトによる迅速なシステム構築を可能にします。このアプローチによりRenodeのコードベースはリーンに保たれ、学習曲線が低減されます。Antmicroの商用サポートが導入と統合をさらに加速します。

Renodeを使用してDoverのエンジニアは：

• ARMとRISC-Vの統合環境をシームレスに切り替えられる。
• リファレンスモデルから顧客固有設計まで、さまざまな忠実度レベルでSoCをプロトタイピングできる。
• ハードウェア仕様をファームウェアモデルに変換し、ハードウェアが開発中でもソフトウェアテストを可能にする。

RenodeがDoverの設計サイクルを大幅に短縮した方法

CoreGuardのハイブリッド性はハードウェアとソフトウェアの並行開発を必要としました。Renodeは図2に示すように緊密に結合されたワークフローを実現しました。

図2. Doverの統合ハードウェア・ソフトウェア開発プロセス。

ハードウェアチームがSystemVerilog実装を開始すると同時に、ソフトウェアチームは新しいブロックをC#（Renodeのネイティブ言語）でモデル化しました。ファームウェアはこれらのモデルに対して記述・実行され、シリコン準備が整えばFPGAエミュレータで結果を検証できました。

Renodeの二重忠実度アプローチは明確な利点を提供しました：

• 低忠実度シミュレーション ― CoreGuardハードウェアを抽象化 ― は、マイクロポリシーデバッグ、デモ作成、顧客SDK配布を迅速化。
• 高忠実度シミュレーション ― 正確なハードウェアモデリング ― は、ブートプロセス開発、ペリフェラルデバッグ、メモリマップ探索、さらにはシリコン入手前のHDMIファームウェアテストを可能に。

これらの運用上のメリットに加え、RenodeはDoverにハードウェア/ソフトウェアのトレードオフ（命令レート整合、メタデータメモリ使用量、消費電力など）を、「まずハードウェア、後でソフトウェア」というアプローチに内在する遅延なしで探求する力を与えました。この柔軟性が直接、設計サイクルの短縮と開発コストの削減に寄与しました。

Renodeがいかにあなたの共設計プロジェクトを効率化できるか詳細はrenode.ioをご覧ください。CoreGuardの保護機能のライブデモについては、デモをリクエストしてください。

本記事はMichael Gielda、Antmicro VP Business Development兼共同創業者との共著です。

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