超越RTL的系统设计：ESL设计的新范式与CIRCT的桥梁作用

        在数字芯片设计领域，我们越来越靠近一个范式转移的临界点。随着摩尔定律的放缓，以及领域专用架构（DSA）的兴起，传统的寄存器传输级（RTL）设计方法已经无法满足现代复杂系统对设计效率、正确性和性能探索的需求。电子系统级（ESL）设计方法学应运而生，它承诺在更高的抽象层次上进行设计。而像 CIRCT 这样的开源编译器基础设施，正在成为连接 ESL 与成熟 EDA 工具链的关键桥梁，催生一种全新的、更强大的设计模式。

1. 重新认识ESL——不仅仅是C/C++模型

        很多人将ESL简单地等同于用 C/C++ 写一个系统模型。这虽然没错，但远非全貌。ESL 是一个完整的方法学体系，其核心思想是 “在正确的抽象层次上，做正确的事”。

1.1 ESL的核心内涵

        抽象层次更高

            ESL工作在算法和系统行为层面，远离具体的时序、时钟和硬件结构。设计者关注的是功能和架构，而不是线、寄存器和状态机。

        关键支柱

            虚拟原型       一个可执行的、时序近似或功能准确的软件模型。它允许在芯片制造前数年就开始软件开发、系统验证和性能分析；

            高层次综合     这是ESL落地的关键技术。HLS 自动将用 C/C++/SystemC 描述的高级行为，转换为 RTL 代码（如 Verilog/VHDL），极大地提升了设计效率；

            事务级建模      在 TLM 中，通信（如总线传输）被建模为“事务”（例如，read(addr, data)），而不是具体的信号翻转。这极大地提升了仿真速度，便于进行架构探索；

1.2 ESL的优势与挑战

    优势

            早期验证与软件开发  实现硬件未定，软件先行；

            更广阔的架构探索空间  可以快速评估不同算法、数据流和微架构对性能、功耗的影响；

            更高的设计生产力  HLS 将设计师从繁琐的 RTL 编码中解放出来，专注于优化算法和架构；

            更好的可移植性和重用性  算法模型与目标工艺库无关，更容易在不同代工厂和工艺节点间迁移；

    挑战

            “抽象鸿沟”  如何确保 ESL 模型与最终实现的 RTL 在功能和性能上完全一致；

            与现有流程的集成  如何将 ESL 工具无缝地接入以 RTL 为中心的传统 EDA 流程（如逻辑综合、形式验证、时序分析）；

            工具链的成熟度与碎片化  商业 ESL 工具昂贵且可能存在互操作性问题；

2. CIRCT——编译器技术注入EDA的“心脏起搏器”

        要解决上述挑战，我们需要一个更强健、更通用的中间层。这就是 CIRCT 项目的用武之地。

2.1 CIRCT是什么

        CIRCT（Circuit IR Compilers and Tools）是一个基于 MLIR（多级中间表示）的开源项目，旨在将现代编译器技术应用于电路设计领域。可以把 CIRCT 理解为 “硬件设计的 LLVM”。

        它的核心是一个分层的、可互操作的中间表示集合。不同的设计描述（如 SystemVerilog、FIRRTL、C/C++ via HLS）都可以被“降低”到这些IR中，进行优化和转换，最终生成优化的 RTL 或网表。

2.2 CIRCT带来的革命性变化

        统一的中间表示

        CIRCT 提供了如 HWDialect、CombDialect、FIRRTLDialect 等，作为各种前端和后端工具的共同语言。这打破了传统 EDA 工具之间“点对点”集成导致的混乱。

        可组合的、可重用的优化通道

        基于编译器的架构，使得每个优化（如死代码消除、循环展开、常量传播）都成为一个独立的、可组合的“Pass”。设计者可以像搭积木一样构建自己的优化流程。

        真正的多级降低

        从高级行为描述到门级网表，不是一个“大爆炸”式的转换，而是一个通过多级IR逐步降低的过程。每一步都可以进行验证和优化，极大地增强了流程的可控性和可调试性。

3. ESL + CIRCT + 传统EDA——新一代设计模式

        现在，让我们将这三大要素组合起来，描绘一个理想化的未来设计流程。

        新模式的核心思想：将 CIRCT 作为 ESL 与下游 EDA 工具之间的“编译器中间层”和“协调器”。

流程详解：

1. ESL入口

   • 设计师使用 C/C++/SystemC/Python（如 Calyx, PyRTL）等在 ESL 层次进行设计和架构探索。

   • 此时，设计是纯粹的行为或事务级模型。

2. CIRCT前端与 lowering

   • 前端  相应的编译器前端（例如，一个基于 MLIR 的 HLS 工具）将 C/C++ 代码解析并生成 CIRCT 中的高级 IR（可能是一个自定义的 ESLDialect）。

   •  lowering 与优化 

     • 在 CIRCT 框架内，设计从高级IR逐步降低。例如，从行为描述降低到包含显式状态机和数据通路的 HWDialect 表示。

     • 在此过程中，可以应用大量编译器优化：循环流水线、数组分区、内存接口推断等。这些优化是通用的、可重用的，而不是某个 HLS 工具私有的。

3. 生成高质量的RTL

   • CIRCT 的后端将优化后的 HWDialect IR 转换为高质量的、可综合的 System Verilog 代码。

   • 由于 CIRCT 的 IR 设计非常贴近硬件，生成的 RTL 通常比传统 HLS 工具更简洁、更可预测、更易于下游工具处理。

4. 与传统EDA工具无缝集成

   • 生成的SystemVerilog代码被送入传统的EDA流程  逻辑综合（Design Compiler）、布局布线（Innovus, ICC2）、时序验证（PrimeTime）等。

   • 关键优势  由于 CIRCT 生成的 RTL 是标准的、高质量的，传统 EDA 工具可以更好地理解和优化它，减少了“黑盒”问题。

   • 反馈循环  来自布局布线后的时序和功耗信息，可以反标回 CIRCT 框架。设计师可以在 ESL 层次，利用这些物理信息来指导HLS的约束和优化策略，形成一个闭环。例如，如果某条路径时序违例，可以在 CIRCT 的 lowering 过程中对该部分插入更多流水线级数。

5. 验证的一致性

   • CIRCT 框架可以支持共同编译。同一个 ESL 模型既可以编译成软件可执行文件用于快速验证，又可以降低为 RTL。

   • 形式验证工具可以利用 CIRCT 的 IR，在中间表示层面进行等价性检查，确保 lowering 过程中的每一步转换都是正确的。

4. 深入思考与展望

    这种新模式不仅仅是工具的简单叠加，它代表着设计哲学的转变：

        从“工具流”到“编译器流水线” 

                我们将硬件设计流程视为一个可编程的编译器流水线，CIRCT 是这个流水线的核心引擎。

        开放与协作 

                CIRCT 作为开源项目，打破了商业工具的壁垒，催生更丰富的工具生态和创新。

        领域专用设计的催化剂 

                对于AI加速器、网络处理器等 DSA，设计师可以快速创建自己的 DSL（领域专用语言），并利用CIRCT的基础设施轻松地将其 lowering 到 RTL，极大地降低了定制芯片的门槛。

        挑战依然存在

                CIRCT 项目本身还在快速发展中，生产就绪度有待提高；需要培养既懂硬件设计又懂编译器技术的复合型人才；传统设计团队需要改变工作习惯。

        然而，趋势是清晰的。未来，成功的设计团队将是那些能够熟练运用 ESL 进行架构创新，并善于利用像 CIRCT 这样的现代化基础设施，将创意高效、正确地传递到硅片上的团队。

        ESL 定义了“我们要做什么”，CIRCT 解决了“我们如何高效、正确地转换”，而传统 EDA 工具则负责“我们如何最终实现它”。 这三者的紧密结合，正是通往下一代芯片设计的康庄大道。