【香山双周报 109】基础设施加入双周报！

欢迎来到香山双周报专栏，我们将通过这一专栏定期介绍香山的开发进展。本次是第 109 期双周报。

本期双周报特别推出基础设施专题，重点介绍香山团队围绕电路描述语言、功能验证和性能探索建设的敏捷芯片开发平台。同时从本期开始，双周报将包含基础设施方面的工作进展。

关于香山近期开发进展：前端持续修复问题并优化关键路径时序；后端新增指针掩码扩展等特性，并扩展了 TopDown 分析；访存与缓存集成了 L2 CDP 预取器，同时修复了若干 bug；XSAI 支持了多精度转置 load，并完善了多通道 DiffTest 与 MMA 调试能力。

基础设施：敏捷芯片开发平台

香山团队提出开源芯片研发的“冰山模型”理念，改变传统以性能表现（PPA：频率、功耗、面积）为核心导向的芯片设计方法，发展形成一套兼顾性能与敏捷度（agile：时间、成本、复杂度）的设计新方法，既关注水面之上的芯片研发成果，也重视水面以下的芯片开发基础设施。团队围绕电路描述语言、功能验证、性能探索三个方面建设敏捷开发平台，缩短从设计实现、负载运行到问题定位的周期。

电路描述语言方面，香山团队采用 Chisel 硬件构建语言描述处理器芯片设计。针对多核设计中重复构建、编译耗时较长和中间信号难以保留等问题，团队从 Chisel 编译链路入手，探索多核 RTL 复用、编译流程加速和中间信号保留等能力，提升电路构建的速度、易用性和可靠性。

功能验证方面，香山团队建立待测设计（XiangShan）与参考模型（NEMU）对比的差分测试框架（DiffTest），通过逐指令的体系结构状态对比，快速发现并定位处理器功能缺陷。近期工作包含：

FPGA 验证加速：基于 FPGA 加速待测设计电路仿真，并与软件侧参考模型进行差分测试。已形成支持昆明湖 v2 系统级验证的 FPGA DiffTest 方案，支持 Linux、SPECCPU 等复杂测试负载。支持捕获出错指令前数百万周期波形，当前运行速度 5~10 MHz，相较软件仿真实现 1000 倍以上的速度提升。
多核验证算法：针对既有多核 DiffTest 出现的部分假阳性问题，完善多核访存事件的检查算法，支持基于 RVWMO 内存模型的细粒度检查。当前已适配雁栖湖，正在推进昆明湖 v3 主线适配。

性能探索方面，香山团队基于 SPECCPU 等负载进行性能评测。此类负载周期长，且通常需要经历较长的系统启动和预热过程，从头仿真的成本较高。团队围绕切片采样和仿真工具开展优化：

NEMU 指令模拟器：RVA23 指令集手册的软件参考实现，支持负载运行、采样切片、仿真验证，围绕虚拟化、向量和 AIA 等场景，持续开展功能对齐与性能优化。
XS-GEM5 架构模拟器：开源工业级架构模拟器，完整支持 RVA23，SPEC 06/17 实测与香山性能误差小于 5%，支持架构探索及优化策略评估。
采样及切片：支持保存 SimPoint 采样点处的体系结构状态，使仿真能够快速进入目标阶段。当前已建立覆盖单核和多核的 Checkpoint 生成、状态恢复与结果验证流程，支持 SPEC CPU2006/2017/2026、RVA23、向量及虚拟化等场景。
GSIM 仿真器：基于 FIRRTL 的 RTL 仿真器，完整支持香山包含 DiffTest 在内的各种验证工具。单线程 GSIM 相比单线程 Verilator 显著加速，与多线程 Verilator 性能相近的同时显著减少服务器资源占用，可通过进程并行实现基于切片的性能快速评估。

近期进展

前端

Bug 修复
修复异常发生时 IFU 计算指令数出错的问题（#6301）
修复 write buffer 中读写冲突优先级的问题（#6315）
使用没有 taken 的分支训练相关计数器（#6305）
PPA 优化
在 main BTB 中使用 attribute 替代 valid（#6350）
优化 FTQ 和 ICache 在 2-fetch 接口处的时序（#6281）
修复 PHR S1 和 S3 流水的更新时序（#6263）
优化 ABTB 的更新时序（#6326）
优化 BPU S3 计算最终 taken 分支的时序（#6324）

后端

RTL 新特性
（V2）支持写入 mseccfg、xenvcfg 和 hstatus 中的 PMM 字段，并允许配置 xenvcfg.CBIE，以支持 Smmpm、Smnpm、Ssnpm 指针掩码扩展及 cbo.inval 行为（#6269）
Bug 修复
（V3）修复 vl 重命名空闲列表泄漏：重定向后仍在飞行的写 vl 指令可能耗尽物理寄存器，使 Rename 永久停顿（#6246）
调试工具
（V3）扩展 TopDown 分析：以 ROB 头部最老的在飞行指令为观察点，对乱序窗口中的执行未就绪、发射延迟/取消、未发射、访存和资源瓶颈进行归因（#6173）

访存与缓存

RTL 新特性
（V3）实现并集成 L2 CDP 预取器（XSCache #15、#6341）
Bug 修复
（V3）修复 DCache latency flag 的索引计算（#6339）
（V3）修复跨页非对齐 store 的 TLB miss 处理（#6332）
（V3）修复非对齐 store 的发射重放问题（#6322）
（V2）修复 StoreQueue 读指针乱序更新（#6353）
（V2）修复 coupledL2 的请求丢弃和 Directory MultiHit 错误上报（CoupledL2 #523、#6345）
（V2）补充 vector load 的非叶 PTE 元数据传递（#6344）
（V2）修复预取过滤器无效状态导致的 X 传播（#6342）
（V2）修复 vector store replay 元数据丢失（#6338）
（V2）修复跨页非对齐 vector store 卡死（#6337）
（V2）修复 TLB miss 时 StoreQueue 地址状态误更新（#6334）
（V2）修复同一 uop 内非对齐 vector element 的执行顺序（#6323）
（V2）将 CHI 异步桥队列深度从 4 调整为 8（#6306）

XSAI

RTL 新特性
支持 tile register 的 e8/e16/e32 多精度转置 load（CUTE #35）
Bug 修复
修复多通道 CUTE 的 DiffTest 支持并优化面积（XSAI #93、CUTE #33）
调试工具
在 DiffTest 中实现 MMA batching，减少 kernel launch 次数（difftest #920）
实现反压，避免 MMA backend 吞吐不足时队列无限增长（difftest #923）

基础设施

Chisel 描述语言
缓存 XSTile 的 CDE 参数查询，将 Chisel -> Verilog 编译时间缩短 33%（#6336）
FPGA DiffTest
支持特定型号 FPGA 平台，适配划片、ILA 等流程（env-scripts #150）
支持 FPGA 在出错时刻自动通过 ILA 抓取并上传波形（difftest #932）
支持 FPGA 跨机器串口控制（env-scripts #153、difftest #933）
NEMU 参考模型
修复 CLINT mtime 写入判定（NEMU #1141）
修复连续写入 mtime 的时间修正（NEMU #1143）
修复 mstatus.MPRV 地址计算（NEMU #1144）
增加 RVH CI 性能回归测试（NEMU #1148）
修复 REF 模式下外部中断处理（NEMU #1148）
完善 Spike DiffTest 配置（NEMU #1152）
多核切片
增强多核 Checkpoint 主流程（minjie-playground #23）
补全多核 ISA 配置（workload-builder #45）
支持双核 SPEC2017 内存配置（workload-builder #46）
对齐 NEMU/OpenSBI 配置（workload-builder #49）
GSIM 仿真器
修复同一 extmodule 定义多实例时的节点命名冲突（gsim #112）
修复 extmodule 异步复位输出的调度与传播顺序（gsim #113）
修复 OP_ADD 操作数切片越界问题（gsim #114）
升级 nixpkgs 至 nixos-26.05，并改用默认 LLVM 版本（gsim #115）
自动探测并链接 jemalloc 等内存分配器，支持通过 MALLOC 手动选择（gsim #116）
新增 GSIM 本身的 PGO 支持（gsim #117）
新增 gsim-static 可移植静态构建目标（gsim #118）

性能评估

处理器及 SoC 参数如下所示：

参数	选项
commit	ff4720da4
日期	2026/08/17
L1 ICache	64KB
L1 DCache	64KB
L2 Cache	2MB
L3 Cache	16MB
访存单元	3ld2st
总线协议	CHI
内存配置	DDR4-3200

性能数据如下所示：

SPECint 2006 @ 3GHz	GCC15	XSCC	SPECfp 2006 @ 3GHz	GCC15	XSCC
400.perlbench	52.73	53.14	410.bwaves	120.79	106.04
401.bzip2	30.01	30.58	416.gamess	58.36	55.82
403.gcc	57.23	41.40	433.milc	71.04	68.89
429.mcf	73.02	62.64	434.zeusmp	78.12	68.21
445.gobmk	39.94	40.43	435.gromacs	38.27	35.15
456.hmmer	55.34	67.13	436.cactusADM	80.63	93.32
458.sjeng	39.49	40.78	437.leslie3d	60.95	61.11
462.libquantum	138.67	305.56	444.namd	42.98	45.25
464.h264ref	70.17	75.21	447.dealII	74.57	74.85
471.omnetpp	48.87	47.57	450.soplex	60.27	72.04
473.astar	32.78	32.44	453.povray	76.58	69.26
483.xalancbmk	83.08	101.98	454.Calculix	42.77	40.73
GEOMEAN	54.89	58.74	459.GemsFDTD	71.73	73.38
			465.tonto	54.23	37.83
			470.lbm	128.82	146.69
			481.wrf	61.79	45.04
			482.sphinx3	61.20	63.66
			GEOMEAN	66.12	63.53

编译参数如下所示：

参数	GCC15	XSCC
编译器	gcc15	xscc
编译优化	O3	O3
内存库	jemalloc	jemalloc
-march	RV64GCB	RV64GCB
-ffp-contraction	fast	fast
链接优化	-flto	-flto
浮点优化	-ffast-math	-ffast-math
-mcpu	-	xiangshan-kunminghu

注：我们使用 SimPoint 对程序进行采样，基于我们自定义的 checkpoint 格式制作检查点镜像，Simpoint 聚类的覆盖率为 100%。上述分数为基于程序片段的分数估计，非完整 SPEC CPU2006 评估，和真实芯片实际性能可能存在偏差。