Zusammenfassung
Die Halbleiterindustrie durchläuft eine Transformation, die durch zunehmende Entwurfskomplexität, strengere Leistungsanforderungen und die Notwendigkeit einer schnelleren Markteinführung vorangetrieben wird. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen Ingenieurteams traditionell isolierte Workflows aus den Bereichen Analog, Digital und Verifikation vereinigen. Die Einführung von Model-Based Design mithilfe von MATLAB® und Simulink® ermöglicht diese Zusammenführung, indem der gesamte Lebenszyklus von Halbleitern abgedeckt wird – von der frühen Algorithmusentwicklung und architektonischen Modellierung bis hin zur PPA-fokussierten RTL-Generierung, UVM-Verifikation, Signal-Integritätsanalyse und Integration mit branchenüblichen Tools zur Entwurfsautomatisierung.
Dieses Whitepaper untersucht, wie MATLAB und Simulink durchgängige Workflows für die Halbleiterentwicklung und Verifikation ermöglichen und Teams dabei unterstützen, Innovationen zu beschleunigen, Risiken zu reduzieren und Hochleistungssysteme zu liefern. MATLAB und Simulink unterstützen Ingenieurteams dabei, die Verifikation frühzeitig zu beginnen, die Zusammenarbeit zu optimieren und Ergebnisse zu verbessern, indem sie eine frühe Verifikation und architektonische Erkundung ermöglichen, PPA-fokussierte RTL-Generierung unterstützen und sich in EDA-Workflows von Cadence®, Synopsys® und Siemens EDA® integrieren.
Traditionelle Halbleiter-Workflows sind fragmentiert. Analoge und digitale Teams arbeiten typischerweise isoliert, mithilfe separater Werkzeuge und Prozesse. Diese Fragmentierung führt häufig zu Ineffizienzen, Problemen in der späten Entwicklungsphase und verfehlten Leistungszielen. MATLAB und Simulink können dabei helfen, diese Herausforderungen zu bewältigen, indem sie eine einheitliche Modellierungs- und Simulationsumgebung bereitstellen, die dank der Integration mit EDA-Tools alle Phasen des Entwicklungsprozesses miteinander verbindet.
Diese Integration ist mehr als nur eine Annehmlichkeit – sie ist ein strategischer Wegbereiter. Durch die Wiederverwendung bestehender MATLAB- und Simulink-Modelle als goldene Referenzen, als Stimulusgeneratoren oder zur Erzeugung synthesefähiger, PPA-fokussierter RTL- und IBIS-AMI-Modelle können Teams die Lücke zwischen architektonischer Modellierung und Hardware-Implementierung überbrücken. Dieser Ansatz steigert nicht nur die Produktivität, sondern gewährleistet auch Konsistenz und Zusammenarbeit über die Entwicklungs- und Verifikationsphasen hinweg. Die folgenden Abschnitte dieses Whitepapers veranschaulichen diese Vorteile anhand von drei Beispielen kritischer Workflows in der Halbleiterentwicklung und Verifikation:
- Frühe Verhaltensmodellierung für Mixed-Signal-Systeme
- Architektonische Verifikation basierend auf realistischen Szenarien
- Erzeugung von synthetisierbarem, PPA-fokussiertem RTL
Jeder dieser Workflows trägt zu einer kohärenten, durchgängigen Halbleiter-Entwicklungsstrategie bei und spiegelt gleichzeitig einen breiteren Branchentrend hin zu Model-Based Design und früher Verifikation wider.
Hochgeschwindigkeits-Mixed-Signal-Systeme, wie beispielsweise 200+ Gb/s SerDes, stellen aufgrund ihrer Integration von analogen und digitalen Komponenten einzigartige Herausforderungen dar. Diese Systeme erfordern Komponenten wie Datenwandler, Taktsynthesizer und Spannungsreferenzen, die fehlerresistent gegenüber Prozessvariationen, Temperaturschwankungen und Versorgungsspannungsschwankungen sind.
Traditionelle Workflows verzögern die Validierung häufig bis spät im Entwicklungszyklus, was das Risiko kostspieliger Neuentwürfe erhöht. Die frühe Verhaltensmodellierung begegnet diesem Problem, indem sie die Simulation und Validierung von Systemkomponenten vor der endgültigen Implementierung ermöglicht. Ingenieure können architektonische Modelle verwenden, um Verhaltensmodelle zu erzeugen, die innerhalb von EDA-Simulatoren simuliert werden können, was eine parallele Entwicklung von Subsystemen ermöglicht.
Zum Beispiel kann in einem SerDes-System ein Verhaltensmodell eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) verwendet werden, um ein Kalibrierungsschema zu entwickeln, ohne auf das endgültige ADC-Design warten zu müssen. Diese Parallelität beschleunigt die Entwicklung und fördert iterative Verbesserungen.
Durch die Einbeziehung früher Verhaltensmodelle verringern Ingenieure das Entwicklungsrisiko, erhöhen die Flexibilität und verbessern die Gesamtleistung des Systems. Dieser Ansatz ist unerlässlich, um die Komplexität moderner Mixed-Signal-Systeme zu bewältigen und in einem wettbewerbsintensiven Umfeld die Führung zu behalten.
Systemmodell mit einer Korrekturschleife.
Moderne Halbleitersysteme, insbesondere solche, die in der Automobilradar-Anwendung eingesetzt werden, müssen unter vielfältigen und dynamischen Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren. Traditionelle Verifikationsansätze basieren häufig auf abstrakten Testmustern, die die Komplexität realer Szenarien nicht erfassen können. Diese Diskrepanz kann zu Problemen im Endstadium und zu einer Fehlanpassung an die Kundenerwartungen führen.
MATLAB und Simulink ermöglichen es Ingenieuren, IC-Architekturen zu modellieren und ihr Verhalten innerhalb realistischer Umgebungen zu bewerten, in einem sogenannten Environment-in-the-Loop-Verifikationsverfahren. Beispielsweise können Radar-IC-Architekturen modelliert und anhand realistischer Fahrszenarien bewertet werden, die auf Industriestandards wie Euro NCAP® basieren. Diese Fahrszenarien simulieren Straßenbedingungen und ermöglichen eine frühzeitige Validierung von System-Metriken wie Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und Total Harmonic Distortion (THD).
Diese Methodik verlagert die Verifikation zeitlich nach vorne, indem sie sich auf Leistungsmetriken auf Datenblatt-Ebene anstelle von Implementierungsdetails auf niedriger Ebene konzentriert. Ingenieure können Modelle auf höherer Abstraktionsebene verwenden, um realistische Testumgebungen zu erzeugen und diese zur Verifikation ihrer architektonischen IC-Modelle nutzen, um sicherzustellen, dass die Verifikationskriterien mit den Anforderungen der Endanwender übereinstimmen. Dieser Ansatz unterstützt auch die iterative Verfeinerung, wodurch Ingenieurteams sich schnell an Änderungen im Entwicklungsprozess anpassen können, ohne die Testumgebung neu gestalten zu müssen.
Simuliertes Fahrradar-Szenario.
Durch die Integration realistischer Szenarien in die architektonische Verifikation können Teams die Abdeckung verbessern, Risiken reduzieren und sicherstellen, dass Halbleitersysteme die Leistungserwartungen unter realen Bedingungen erfüllen.
Die Übersetzung von Algorithmen höherer Ebenen in effizientes, synthetisierbares RTL ist ein entscheidender Schritt im digitalen Entwurf. Ingenieure müssen strenge PPA-Randbedingungen erfüllen und gleichzeitig die funktionale Korrektheit gewährleisten.
Mithilfe von HDL Coder™ können Ingenieure MATLAB Programmcode und Simulink-Modelle automatisch in RTL (in den Sprachen Verilog, SystemVerilog oder VHDL) oder in synthetisierbares SystemC umwandeln, das mit High-Level-Synthesewerkzeugen wie Cadence Stratus kompatibel ist.
PPA-Analyse-Workflow.
Beispielsweise kann ein in MATLAB entwickelter Verschlüsselungsalgorithmus mithilfe von Cadence Stratus in SystemC konvertiert und in RTL synthetisiert werden. Das Werkzeug liefert detaillierte PPA-Berichte, einschließlich sequentiellem und kombinatorischem Flächenbedarf, Registerauslastung, Taktfrequenz, Latenzzeit und Energieverbrauch.
Diese schnelle Rückkopplungsschleife ermöglicht es Ingenieuren, Design-Abwägungen zu bewerten und Implementierungen früh im Entwicklungszyklus zu optimieren. Der Workflow umfasst die funktionale Verifikation mithilfe generierter Testumgebungen und Schnittstellen-Wrapper, um die Korrektheit vor der Hardwarebereitstellung sicherzustellen.
Durch die Integration von Algorithmusentwicklung, Codegenerierung und PPA-Analyse kann MATLAB es Ingenieuren ermöglichen, leistungsstarke und energieeffiziente Hardwarelösungen bereitzustellen. Dieser Ansatz überbrückt die Lücke zwischen Softwaremodellierung und Hardwarerealisierung, beschleunigt die Innovation und verkürzt die Markteinführungszeit.
MATLAB und Simulink bieten eine umfassende Plattform, die die Workflows für die Entwicklung und Verifikation von Halbleitern in analogen und digitalen Bereichen vereinheitlicht. Durch die frühe Modellierung von Systemarchitekturen, realistischen Verifikationsumgebungen, RTL-Generierung und Integration in EDA-Workflows können Ingenieurteams die Entwicklung beschleunigen, Risiken reduzieren und leistungsstarke Systeme liefern.
Da sich die Halbleiterindustrie kontinuierlich weiterentwickelt, wird die Einführung eines durchgängigen Ansatzes wie Model-Based Design für Organisationen, die wettbewerbsfähig bleiben und auf Marktanforderungen reagieren möchten, zunehmend entscheidend. Durch die Ermöglichung einer frühen architektonischen Erkundung, die Wiederverwendung bestehender Modelle und eine realistische szenariobasierte Verifikation helfen diese Werkzeuge den Ingenieurteams, Entwicklungszyklen zu optimieren, die Zusammenarbeit zu verbessern und sicherzustellen, dass Halbleitersysteme die Leistungserwartungen unter realen Bedingungen erfüllen.
