VerilogCoder：多智能体协同的Verilog代码生成与调试框架解析

遇珞

1. VerilogCoder：多智能体协同的Verilog代码生成与调试框架

在数字电路设计领域，Verilog作为主流的硬件描述语言（HDL），其编写质量直接决定了芯片的功能正确性和性能表现。然而，随着集成电路复杂度的提升，传统手工编写Verilog代码的方式面临着效率低下、错误率高等挑战。近期，英伟达团队在AAAI'25发表的论文《VerilogCoder: Autonomous Verilog Coding Agents with Graph-based Planning and Abstract Syntax Tree (AST)-based Waveform Tracing Tool》提出了一种创新的解决方案。

VerilogCoder的核心价值在于解决了现有LLM在Verilog生成中的两个关键短板：

规划粒度不足：传统方法只能生成高层实现步骤，容易遗漏关键信号和状态转移细节
调试能力缺失：现有方案大多只能修复语法错误，缺乏对功能错误的诊断能力

这个框架的创新性体现在将多智能体系统与领域专用工具相结合，实现了从规格描述到功能正确代码的端到端自动化流程。下面我们将深入解析其技术实现细节。

2. 核心架构与技术解析

2.1 系统整体工作流程

VerilogCoder采用两阶段处理流程，如下图所示：

code复制自然语言描述 → [规划阶段] → 任务计划 → [实现阶段] → 功能正确的Verilog代码

规划阶段的核心是TCRG（Task and Circuit Relation Graph）构建器，它包含四个关键组件：

高层规划器（High-level Planner Agent）
电路信号提取器（Circuit Signal Extraction Agent）
关系图构建器（Graph Construction）
任务驱动检索器（Task-Driven Retrieval Agent）

实现阶段则通过两类智能体的协作完成：

代码生成器（Code Agent）：负责分步骤实现各子任务
调试器（Debug Agent）：负责功能验证与错误修复

2.2 TCRG：任务-电路关系图

TCRG是VerilogCoder的核心创新之一，它不同于传统的任务分解方法，而是构建了一个将任务与电路语义紧密结合的图结构。图中包含四种节点类型：

任务节点：高层功能描述（如"实现状态机"）
信号节点：电路中的具体信号（如时钟、复位等）
转移节点：状态转移条件（如"当reset=1时跳转到IDLE"）
示例节点：典型输入输出场景示例

这些节点通过三类边连接：

IMPLEMENTS：任务→信号
SIGNALTRANSITION：信号→转移
EXAMPLES：信号→示例

这种结构使得智能体在执行具体任务时，能够精确获取相关的电路语义信息，显著降低了逻辑遗漏的风险。

2.3 AST波形追踪工具

AST-based Waveform Tracing Tool（AST-WT）是另一个关键创新，它模拟了硬件工程师的调试过程：

通过Pyverilog解析生成代码的抽象语法树（AST）
从错误输出信号开始，沿RVALUE依赖关系向上追踪
结合仿真生成的VCD波形数据
生成信号追踪报告供智能体分析

这种方法将模糊的功能调试问题转化为精确的信号依赖分析，使LLM能够像人类工程师一样定位错误根源。

3. 智能体协同机制

3.1 多角色分工设计

VerilogCoder采用了四种LLM角色分工协作：

角色类型	主要职责	协作对象
Planner	生成高层计划	Plan Verify Assistant
Plan Verify Assistant	检查计划一致性	Planner
Verilog Engineer	实现具体代码	Verilog Verify Assistant
Verilog Verify Assistant	检查代码质量	Verilog Engineer