Réflexions autour de la méthodologie de vérification des circuits multi-horloges : analyse qualitative et automatisation

par Mejid Kebaili

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Katell Morin-Allory.

Le président du jury était Bruno Rouzeyre.

Le jury était composé de Régis Leveugle, Jean-Christophe Brignone.

Les rapporteurs étaient Emmanuelle Encrenaz, Sébastien Pillement.


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, le marché des circuits intégrés numériques requiert des systèmes de plus en plus complexes dans un temps toujours plus réduit. Afin de répondre à ses deux exigences, les industriels de la conception font appel à des fournisseurs externes proposant des circuits fonctionnant sur des signaux d'horloge dédiés. Lorsque ces derniers communiquent entre eux, les horloges d'émission et de réception ne sont pas les mêmes, on parle de « Clock Domain Crossing » (CDC).Les CDC correspondent à des communications asynchrones et peuvent provoquer des dysfonctionnements critiques. Par ailleurs, ces problèmes étant intermittents et complexes à analyser, ils ne peuvent pas être exhaustivement vérifiés avec des méthodes telles que l’analyse de timing ou la simulation fonctionnelle. Avec l'augmentation du nombre de CDC dans les circuits, les industriels de la conception assistée par ordinateur (EDA) ont proposé des solutions logicielles spécialisées dans la vérification statique des CDC. Cependant, les circuits développés étant en constante évolution, les outils ne sont pas en mesure de s’adapter. Pour pallier ces problèmes, la vérification industrielle des CDC est basée sur la spécification de contraintes et d'exclusions par l'utilisateur. Ces actions, qui se substituent aux outils, peuvent masquer des bugs. De plus, l’effort humain requis par cette approche n’est pas compatible avec le temps alloué au développement de circuits industriels. Nous avons donc cherché à automatiser la vérification en proposant des solutions basées sur des propriétés formelles. Les travaux ont consisté à analyser les différentes techniques de conception et de vérification des CDC à travers l’évaluation des principaux outils du marché. A partir des résultats obtenus, nous avons formalisé les problèmes pratiques et proposé des modèles permettant d’obtenir des résultats exhaustifs automatiquement. Les essais ont été réalisés sur un sous-système à base de processeurs (CPUSS) développé chez STMicroelectronics. L'adoption de nos modèles permet une vérification complète des CPUSS de manière automatique ce qui est essentiel dans un environnement industriel compétitif. En effet, le nombre d’informations devant être spécifiées par l’utilisateur a été réduit de moitié pour chacun des outils évalués. Par ailleurs, ces travaux ont montré que l’axe de développement des outils CDC avec l’ajout de fonctionnalités telles que les flots hiérarchiques ou l’injection de fautes n’améliore pas la qualité de résultats. Une collaboration ayant été mise en place avec les principaux fournisseurs outils, certaines solutions seront probablement intégrées aux outils dans les années à venir.

  • Titre traduit

    Reflections on the methodology for verifying multi-clock design : qualitative analysis and automation


  • Résumé

    For several years now, the digital IC market has been requiring both more complex systems and reduced production times. In this context, the semiconductor chip maker companies call on external IP providers offering components working on dedicated clock signals. When these IPs communicate between them, the source and destination clocks are not the same, we talk about "Clock Domain Crossing" (CDC).CDC correspond to asynchronous communications and can cause critical failures. Furthermore, due to the complexity and the random nature of CDC issues, they can not be exhaustively checked with methods such as timing analysis or functional simulation. With the increase of CDC in the digital designs, EDA tools providers have developed software solutions dedicated to CDC static verification.Whereas, the designs are subject to continuous change, the verification tools are not able to be up to date. To resolve these practical issues, the CDC industrial verification is based on the specification of constraints and exclusions by the user. This manual flow, which replaces the tools, can mask bugs. Moreover, the human effort required by this approach is incompatible with the time allowed to industrial designs development.Our goal has been to automate the verification submitting solutions based on formal properties.The work consisted in the analysis of the different CDC design and verification approaches through the evaluation of main CDC checker tools. From the results obtained, we have formalized the practical problems and proposed models to obtain automatically exhaustive results. The tests have been performed on a processor-based subsystem (CPUSS) developed at STMicroelectronics.Adopting our models enables a complete checking of CPUSS in an automatic way, which is essential within a competitive industrial environment. Actually, the amount of information to be specified by the user has been reduced by half for each one of the evaluated tools. Otherwise, this work has shown that the development axis of the CDC tools despite the addition of functionalities such as hierarchical flows or fault injection, doesn’t improve the quality of results (QoR). Since a collaboration has been established with the main tool providers some solutions would probably be included into the tools over the coming years.


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