Systemdesign / Co-Simulation Von der Idee zum Prototyp - schnell, flexibel und effizient

Eine neue Methodologie für eine schnelle Umsetzung von der Idee zum Prototyp
Titelbild: Eine neue Methodologie für eine schnelle Umsetzung von der Idee zum Prototyp

Die Automobilindustrie fordert Sensorprototypen, um neue Algorithmen und Applikationen bereits in einer frühen Entwicklungsphase zu testen. Für einen reibungslosen Übergang, von der Idee bis zur Implementierung, hat Infineon eine neue Methodik entwickelt.

Sie wird bereits für verschiedene Produkte eingesetzt. Diese Methode ermöglicht es in kürzester Zeit funktionsfähige Prototypen bereit zu stellen. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit des Designs erhöht, bevor ein Testchip oder der fertige Siliziumschaltkreis verfügbar sind. Konzept-, Design- und Verifizierungsingenieure profitieren davon enorm.

Mit der neuen Methodik werden insbesondere Produktmodelle, aus Konzeptions- und Machbarkeitsstudien in SystemC, automatisch in HDL (Hardware Description Language) übersetzt und für die Prototypentwicklung in FPGAs synthetisiert. Das erzeugte HDL wird zunächst automatisch durch Co-Simulationen mit SystemC validiert, dann wird der FPGA-Prototyp im Labor getestet und schließlich die Messergebnisse automatisch erneut mit den Simulationsergebnissen verglichen. Der hochgradig automatisierte Ablauf ermöglicht die Prototypen-Entwicklung unter weniger Zeit- und Arbeitsaufwand, und ohne Abstriche in Leistung und Zuverlässigkeit.

Elektrifizierung und autonomes Fahren verändern die Anforderungen in der Automobilwelt. Selbst bei Standardanwendungen wie Motor-, Getriebe- und Drehzahlsensoren ist der Spielraum für Innovationen groß. OEMs und Tier1-Anbieter wollen neue Algorithmen, Architekturen und Sensortechnologien im Feld testen und fordern dafür Hardware-Prototypen. Deren Entwicklung beansprucht typischerweise einige Monate. Dabei werden die Anforderungen dynamisch verändert, bis die optimale Anpassung an die Anwendung gefunden ist.

Der übliche projektorientierte Ansatz, bei dem ein heterogenes Entwicklungsteam (Konzept, Anwendung, Analog/Digital-Design, Verifizierung usw.) jahrelang an dem Projekt arbeitet, ist nicht mehr zeitgemäß. Aus diesem Grund entwickelte Infineon eine Methodik, die einen reibungslosen, schnellen Übergang von der Idee zum Hardware-Prototyp ermöglichen soll. Konzept- und Anwendungsentwickler sollten in die Lage versetzt werden, einen Hardware-Prototyp ohne großen Aufwand und ohne vollständiges Team zu erstellen. Ausgehend von einem Modell, das weitgehend durch Simulationen verifiziert wird, wird der HDL-Code mit einem High-Level-Synthesis-Tool (HLS) generiert und mit dem goldenen Referenzmodell für SystemC co-simuliert. Nach erfolgreicher Simulation wird der Code auf der realen FPGA-Hardware synthetisiert und dann im Labor sowie im Feld getestet.

Es sollte eine vollständige Methodik entwickelt werden, die den Übergang vom Konzept bis zur Implementierung schnell, flexibel und mit minimalem Aufwand ermöglicht. Sobald ein Produktmodell in SystemC / SystemC-AMS verfügbar ist, erfolgt die Übersetzung in HDL automatisch: der virtuelle Prototyp wird zu einem realen Prototyp, der weitergegeben oder in der Anwendung getestet werden kann.

Der Methodikfluss (Titelbild) umfasst folgende Hauptpunkte: Idee, Verifizierung der Idee, Implementierung der Idee, Überprüfung der Implementierung, von der Implementierung zur realen Hardware und Verifizierung der realen Hardware.

Die Entwicklung des Sensormodells erfolgte in SystemC. Sensorelement, analoger Pfad und digitaler Kern werden in SystemC und SystemC-AMS modelliert. Danach werden tausende von Simulationen iterativ ausgeführt und bilden die unterschiedlichen Anwendungsfälle mit Eingaben aus der realen Welt nach. Den nächste Schritt stellt die automatische Übersetzung des Codes in HDL zur FPGA-Synthese. Der enorme Aufwand für das Schreiben von VHDL- oder Verilog-Code entfällt und der digitale Kern wird automatisch von SystemC in HDL übersetzt.

Es erfolgt eine automatische Co-Simulation von HDL und SystemC, die programmierten Testeinstellungen werden erneut zur Verifizierung des Modells verwendet. Der Stimuli-Generator und -Evaluator aus der SystemC-Verifizierung wird zur HDL-Simulation wiederverwendet. Bei gleichen Eingaben sollten die Ausgaben von SystemC und HDL übereinstimmen. Anschließend erfolgt die Synthese auf dem FPGA mit automatischem Vergleich der Messungen und Simulationsergebnissen. Bei ausgewählten Anwendungsfällen ist es möglich, für Hardware und Modell die selben Eingangsstimuli zu nutzen. Mit selben Eingangsstimuli müssten die Ausgaben des SystemC-Modells und der realen Hardware übereinstimmen.