白皮书

加快半导体设计和验证

执行摘要

在不断增加的设计复杂性、更严格的性能要求以及对更快上市时间的需求的推动下，半导体行业正在经历一场转型。为了满足这些需求，工程团队必须统一跨模拟、数字和验证领域的传统孤立工作流。采用使用 MATLAB® 和 Simulink® 的基于模型的设计通过跨越整个半导体生命周期来实现这种统一，从早期的算法开发和架构建模，到感知功耗-性能-面积 (PPA) 的 RTL 生成、UVM 验证、信号完整性分析，再到与行业标准电子设计自动化工具的集成。

本白皮书探讨了 MATLAB 和 Simulink 如何促进端到端的半导体设计与验证工作流，帮助团队加速创新、降低风险并交付高性能系统。MATLAB 和 Simulink 通过支持早期验证和架构探索、支持感知 PPA 的 RTL 生成，以及与 Cadence®、Synopsys® 和 Siemens EDA® 的 EDA 工作流相集成，帮助工程团队实现验证前置、简化协作并优化结果。

端到端集成的理由

传统的半导体工作流是碎片化的。模拟团队和数字团队通常孤立运作，使用互不相连的工具和流程。这种碎片化往往导致效率低下、设计后期出现问题以及无法达成性能目标。得益于与 EDA 工具的集成，MATLAB 和 Simulink 能够提供一个连接设计过程所有阶段的统一建模和仿真环境，从而帮助应对这些挑战。

这种集成不仅仅是为了方便，它还是一个战略性的推动因素。通过将现有的 MATLAB 和 Simulink 模型重用为黄金参考、激励发生器，或者用于生成感知 PPA 的可综合 RTL 和 IBIS-AMI 模型，团队可以弥合架构建模与硬件实现之间的鸿沟。这种方法不仅提高了生产力，还确保了整个设计和验证阶段的一致性和协作。本白皮书的以下各节将通过描述半导体设计和验证中三个关键工作流的示例来说明这些优势：

  • 早期混合信号行为建模
  • 基于真实场景的架构验证
  • 生成感知 PPA 的可综合 RTL

这些工作流中的每一个都有助于形成有凝聚力的、端到端的半导体设计策略，同时也反映了行业向基于模型的设计和早期验证发展的更广泛趋势。

早期混合信号行为建模

高速混合信号系统（例如 200+ Gb/s SerDes）由于集成了模拟和数字组件而提出了独特的挑战。这些系统要求数据转换器、时钟合成器和电压基准等组件对工艺偏差、温度漂移和电源电压波动具有稳健性。

传统的工作流通常将验证推迟到设计周期的后期，这增加了昂贵的重新设计风险。早期行为建模通过在最终实现之前实现系统组件的仿真和验证来解决这个问题。工程师可以使用架构模型生成可以在 EDA 仿真器中仿真的行为模型，从而允许子系统的并行开发。

例如，在 SerDes 系统中，模数转换器 (ADC) 行为模型可用于设计校准方案，而无需等待最终确定的 ADC 设计。这种并行性加速了开发并促进了迭代改进。

通过结合早期行为模型，工程师可以降低设计风险、增加灵活性并增强整体系统性能。这种方法对于管理现代混合信号系统的复杂性以及在竞争环境中保持领先地位至关重要。

带有校正回路的系统模型

带有校正回路的系统模型。

基于真实场景的架构验证

现代半导体系统，尤其是用于汽车雷达应用的系统，必须在各种动态环境条件下可靠地运行。传统的验证方法通常依赖于抽象的测试模式，无法捕捉真实世界场景的复杂性。这种脱节可能导致后期出现问题以及与客户期望不符。

MATLAB 和 Simulink 允许工程师对 IC 架构进行建模，并在真实环境中评估其行为，这被称为环境在环验证。例如，可以对雷达 IC 架构进行建模，并根据诸如 Euro NCAP® 等行业标准，在真实的驾驶场景中进行评估。这些驾驶场景仿真了道路状况，从而能够及早验证系统级指标，如信噪比 (SNR) 和总谐波失真 (THD)。

这种方法通过关注数据手册级别的性能指标，而不是低级别的实现细节，实现了验证前置。工程师可以使用高级模型来生成真实的测试环境，并用它们来验证其架构 IC 模型，从而确保验证标准符合最终用户的要求。这种方法还支持迭代细化，允许工程团队快速适应设计变更，而无需重新设计测试台。

仿真驾驶雷达场景

仿真驾驶雷达场景。

通过将真实场景集成到架构验证中，团队可以提高覆盖率、降低风险，并确保半导体系统在真实条件下达到预期的性能。

生成感知 PPA 的可综合 RTL

将高级算法转换为高效的、可综合的 RTL 是数字设计中的关键步骤。工程师必须在确保功能正确性的同时满足严格的 PPA 约束。

使用 HDL Coder™，工程师可以自动将 MATLAB 代码和 Simulink 模型转换为 RTL（使用 Verilog、SystemVerilog 或 VHDL 语言）或可综合的 SystemC，后者与 Cadence Stratus 等高级综合工具兼容。

PPA 分析工作流程

PPA 分析工作流程。

例如，在 MATLAB 中开发的加密算法可以转换为 SystemC，并使用 Cadence Stratus 综合为 RTL。该工具提供详细的 PPA 报告，包括时序和组合逻辑面积、寄存器使用情况、时钟频率、延迟和功耗。

这种快速反馈循环使工程师能够在开发周期的早期评估设计权衡并优化实现。该工作流包括使用生成的测试台和接口封装器进行功能验证，以确保在硬件部署之前的正确性。

通过集成算法设计、代码生成和 PPA 分析，MATLAB 能够使工程师交付高性能、高能效的硬件解决方案。这种方法弥合了软件建模与硬件实现之间的鸿沟，从而加速创新并缩短上市时间。

结束语

MATLAB 和 Simulink 提供了一个综合平台，统一了跨仿真和数字领域的半导体设计和验证工作流。通过支持系统架构的早期建模、真实的验证环境、RTL 生成以及与 EDA 工作流的集成，工程团队可以加速开发、降低风险并交付高性能系统。

随着半导体行业不断发展，对于寻求保持竞争力并响应市场需求的组织而言，采用诸如基于模型的设计等端到端方法正变得越来越关键。通过支持早期的架构探索、现有模型的重用以及基于真实场景的验证，这些工具帮助工程团队简化开发周期、改善协作，并确保半导体系统在真实条件下达到预期的性能。