SystemC based Behavioral Modeling and Virtual Prototyping of RF SoCs

Chen, Zhimiao; Heinen, Stefan (Thesis advisor); Ascheid, Gerd (Thesis advisor)

Aachen (2017) [Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Heutige Multi-Standard-Multiband-Mobilendgeräte werden durch die erhöhte Komplexität von RF-SoCs ermöglicht. Multiband-Multimode-RF-Frontends auf Basis von DigitalRF-Architekturen mit umfangreichen Selbstkalibrierungs- / Kompensationsschemata müssen in nanoskaligen CMOS-Knoten realisiert werden. Pre-Tapeout-Verifikation ist eine Schlüsselherausforderung für diese Art von RF-SoCs, da herkömmliche Schaltungs- / Transistorebenen-Simulationen mit Fast-Spice die Anforderungen nicht erfüllen können. Die einzige praktische Lösung ist die auf Verhaltensmodellen basierende Methode, die auf Event-driven und Datenfluss- Simulationstechniken basiert. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die Effektivität der Verhaltensmodellierungsmethode bei der funktionalen Verifikation von HF-SoCs durch die Einführung einer RF Virtual Prototyping (RF VP) Technik zu verbessern. Die Idee von RF VP besteht darin, pin-kompatible Verhaltensmodelle zu verwenden, um HF- und Mixed-Signal-Teile der RF-SoCs zu ersetzen. Die Modelle müssen von einem digitalen Simulator unterstützt werden und eng mit dem neuesten Snapshot des Schaltungsverhaltens verknüpft sein. Diese Technik zielt darauf ab, eine hohe Simulationseffizienz und Genauigkeit garantierte Lösung für die RF-SoCs-Verifikation bereitzustellen. Es geht darum, analoge Verhaltensweisen auf digitale Weise zu beschreiben, die Simulationsgeschwindigkeit zu erhöhen, indem auf eine andere Signalabstraktion umgeschaltet wird, wie manuelle Modellierungsanstrengungen und menschliche Fehler durch selbst entwickelte EDA-Werkzeuge reduziert werden, usw.In dieser Arbeit wird SystemC aufgrund der hohen Simulationseffizienz, der Syntaxflexibilität und der guten Integration in digitale RTL-Simulationstools als Modellierungssprache für den RF VP gewählt. Vor allem wird es aufgrund seiner Freiheitsordnung ausgewählt, die sich auf die Fähigkeit bezieht, Abstraktionsebenen der Modelle zu kreuzen. Höhere Ordnung der Freiheit bedeutet mehr Raum, um den Kompromiss zwischen Simulationsgeschwindigkeit und Verifikationsgenauigkeit / -abdeckung zu machen, was der grundlegende Trick als Reaktion auf die enorme Zunahme der Komplexität ist. Weitere Diskussionen werden über die detaillierten Verhaltensmodellierungsmethoden unter Verwendung von SystemC erweitert. Bei einer ereignisgesteuerten Methode kann das analoge Verhalten als ein Signalfluss modelliert werden, ohne dass Differentialgleichungen gelöst werden müssen. Um Simulationen zu beschleunigen, wird ein verbessertes Basisband-Modellierungsverfahren verwendet, das Oberschwingungen dritter Ordnung abdeckt. Das Modell kann auf Basisband-Signalabstraktion ohne Trägerverzerrung umgeschaltet werden. Dieses Basisbandverfahren wird weiter erweitert, um einen Vektor von Spektralkomponenten zu tragen: genauer, aber immer noch hoch simulationswirksam. Unter Verwendung eines Mixed-Domain-Modellierungsverfahrens wird eine neue Signalabstraktion erfunden, um die Verhaltensbeschreibung in Basisband-Zeitdomäne und Basisband-Frequenzdomäne zu überbrücken. Um eine bestimmte Struktur wie eine PLL mit einem Rückkopplungspfad zu erhalten, wird eine Ereignishäufungsmethode angewendet, um die unerwartete Rückkopplungspfadverzögerung zu kompensieren, wenn die Basisband-Signalabstraktion verwendet wird. Der Fall bei der Modellierung von Versorgungsrauschen zeigt, dass diese Modellierungsmethoden in SystemC die Modellierungsabdeckung von den Funktionsweisen des Hauptschaltkreises auf ein anderes leistungsbezogenes Verhalten erweitern können. Die SystemC RF VP-Technik wird auf der Basis dieser Modellierungsmethoden aktiviert. Darüber hinaus wird eine Reihe von selbst entwickelten Toolsets / Konzepten eingeführt, um den virtuellen RF-Prototyping-Prozess zu automatisieren. Viele Handarbeitsbemühungen werden eingespart und außerdem werden viele menschliche Fehler durch diese Toolsets vermieden, angefangen von der Modellnetzliste, Blockebene-Modellierung / Selbstüberprüfung, Modellparameterextraktion bis hin zur RF VP-Modellgenerierung und Systemsimulationsverwaltung. Zwei industrielle Testfälle werden als Anwendungen der vorgeschlagenen Verfahren zur funktionalen Verifikation von HF-SoCs verwendet. Eines ist für ein GNSS-Empfänger-Frontend. Eine andere ist für ein Nahbereichs-Transceiver-Frontend mit niedriger Energie. Aus den Simulationsergebnissen können diese Techniken eine große Simulationsgeschwindigkeit erreichen (im Vergleich zu SPICE-basierten Analogsimulationen maximal auf 105 beschleunigen), während die Simulationskorrektheit immer noch reserviert ist und der Modellierungsaufwand stark reduziert ist.

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2017-09469