Μοντελοποίηση με πραγματικούς αριθμούς και επιβεβαίωση ορθής λειτουργίας για σχεδιασμούς μικτών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
Authors: Γεωργουλόπουλος Νικόλαος 
Published: November 2021

Στη σύγχρονη εποχή, η βιομηχανία ημιαγωγών έχει στρέψει το ενδιαφέρον της σε εφαρμογές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μικτού σήματος τα οποία ενσωματώνονται σε Συστήματα-εντός-ολοκληρωμένου. Βασικοί στόχοι της βιομηχανίας είναι η δημιουργία αξιόπιστων και γρήγορων μικτών σχεδιασμών, οι οποίοι αποτελούνται τόσο από ψηφιακά όσο και από αναλογικά στοιχεία, καθώς και η μείωση του συνολικού χρόνου που χρειάζονται για να διατεθούν στην αγορά τέτοιου είδους ολοκληρωμένα κυκλώματα. Για τη γρήγορο είσοδο στην αγορά, απαιτείται πλέον υψηλότερη ταχύτητα προσομοίωσης σε επίπεδο συστήματος, σε σχέση με παραδοσιακές προσεγγίσεις μοντελοποίησης μικτού σήματος. Η μοντελοποίηση με πραγματικούς αριθμούς (Real Number Modeling – RNM) μπορεί να αποτελέσει μία αποτελεσματική λύση σε αυτό το πρόβλημα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, υλοποιήθηκαν ένας flash μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό (flash analog-to-digital converter – flash ADC), ένας σίγμα-δέλτα μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό (sigma-delta ADC), ένας ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση (Voltage Controlled Oscillator - VCO) και ένας βρόχος κλειδωμένης φάσης (phase-locked loop - PLL) ως παραμετροποιήσιμα RNM μοντέλα με τη χρήση SystemVerilog. Τα μοντέλα δημιουργήθηκαν με ικανοποιητική ακρίβεια, ενώ η διαδικασία επαλήθευσής τους αναλύθηκε και επιτεύχθηκε με τη χρήση μίας καινοτόμας μετρικής για εκτίμηση της ακρίβειας μοντελοποίησης. Η δυνατότητα παραμετροποίησης των προτεινόμενων μοντέλων ενισχύει τη δυνατότητα χρησιμοποίησής τους σε διάφορους σχεδιασμούς Συστημάτων-εντός-ολοκληρωμένου. Στόχος αυτής της διατριβής είναι η υπογράμμιση της αποτελεσματικότητας της RNM μοντελοποίησης με χρήση SystemVerilog και η επίδειξη τρόπων εφαρμογής της RNM για τη μοντελοποίηση και προσομοίωση ευρέως χρησιμοποιούμενων μικτών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Τα προτεινόμενα RNM μοντέλα συγκρίθηκαν με μοντέλα αναφοράς υλοποιημένα σε Verilog-A, Verilog-AMS και SPICE (επιπέδου τρανζίστορ). Όλοι οι έλεγχοι έδειξαν ότι τα προτεινόμενα μοντέλα επιδεικνύουν αξιοσημείωτη βελτίωση σε απόδοση προσομοίωσης συγκριτικά με προηγούμενες μελέτες της βιβλιογραφίας, διατηρώντας παράλληλα ικανοποιητικά επίπεδα ακρίβειας. Από την άλλη πλευρά, η επιβεβαίωση ορθής λειτουργίας σχεδιασμών μικτών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα για τη δημιουργία γρήγορων και αξιόπιστων σχεδιασμών. Οι συμβατικές προσεγγίσεις επιβεβαίωσης παρουσιάζουν πολύ αργούς χρόνους προσομοίωσης, κάτι το οποίο αυξάνει τελικά το χρόνο εισόδου στην αγορά. Στη παρούσα διατριβή, προτάθηκαν αποτελεσματικές αρχιτεκτονικές επιβεβαίωσης με τη χρήση του προτύπου επιβεβαίωσης Universal Verification Methodology (UVM) για τα προαναφερόμενα RNM μοντέλα των sigma-delta ADC, flash ADC και ψηφιακού PLL. Η αποτελεσματικότητα της χρήσης της UVM στις προτεινόμενες προσεγγίσεις συνδυαστικά με τα RNM μοντέλα, τα οποία χρησιμοποιούν ψηφιακούς προσομοιωτές για γρήγορη προσομοίωση, ενισχύουν τη δημιουργία αρχιτεκτονικών επιβεβαίωσης με αυξημένη ικανότητα επαναχρησιμοποίησης και αξιοπιστία, σε σύγκριση με προηγούμενες μελέτες της βιβλιογραφίας. Τα παρουσιασμένα περιβάλλοντα επιβεβαίωσης αξιοποίησαν τη μέθοδο παραγωγής τυχαίων ερεθισμάτων εισόδου με περιορισμούς (constrained-random stimuli generation), αναλογικούς ισχυρισμούς (analog assertions) και μετρικές κάλυψης (coverage metrics) για βελτιωμένη επιβεβαίωση της λειτουργικότητας. Επιπρόσθετα, παρουσιάστηκε μία μετρική εκτίμησης του βαθμού της ποιότητας επιβεβαίωσης για τα προτεινόμενα περιβάλλοντα και τα περιβάλλοντα αναφοράς. Σε κάθε περίπτωση, οι παρουσιασμένες αρχιτεκτονικές επιβεβαίωσαν την ορθή λειτουργία των RNM μοντέλων με κάλυψη ανώ του 98%, σύμφωνα με τις παραμέτρους των προδιαγραφών που χρησιμοποιήθηκαν για τα μοντέλα.