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Ansätze einer High-Level-Synthese in der Electronic Automation
Einleitung/Überblick Die Gesellschaft wandelt sich immer mehr zu einer Informations- und Kommunikationsgesellschaft. Die Schlüsseltechnologie in dieser Entwicklung stellt die Mikroelektronik dar. Die Mikroelektronik ist heute allgegenwärtig und aus unserer Gesellschaft nicht mehr weg zu denken und sie gewinnt immer noch mehr an Bedeutung in allen Lebenslagen. Im Jahre 2010 werden über 5 Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip integrierbar sein und die Entwicklungszyklen werden aus Wettbewerbsgründen immer kürzer. Das Entwurfsteam muss trotz der Komplexitätsexplosion dem Kosten- und Zeitdruck entgegenwirken. Aufgrund dessen muss sich die Entwurfsproduktivität in jedem Jahr mehr als verdoppeln, will sie der Chipentwicklung folgen. Der ungebrochene Technologiefortschritt hat dazu geführt, dass heute ganze Systeme aus mehreren Prozessoren und komplexen Verbindungsstrukturen auf einem einzelnen Chip gefertigt werden können (SoC). Um die Komplexität dieser Systeme und mögliche Anwendungen kontrollieren zu können, bedarf es einer Automatisierung des Entwurfs auch auf höheren Entwurfsebenen (High-Level-Synthese). Die Automatisierung des Entwurfs (Electronic Automation, EDA) stellt deshalb den Schlüssel zur Mikroelektronik und damit zu den Systemen der Zukunft dar. Heutiger Standard des Schaltungsentwurfs ist die Hardwarebeschreibung durch Hardwarebeschreibungssprachen (HDL), die durch CAE-Werkzeuge (Computer Aided Engineering) zur Schaltungssimulation und ?synthese benützt werden. Dabei dient die Simulation der Überprüfung der Funktion des Entwurfs und die Synthese der Umsetzung der Beschreibung in eine Netzliste für die Implementierung der Schaltung auf die gewählte Zieltechnologie wie ASICs oder FPGAs. Als Hardwarebeschreibungssprachen haben sich weltweit die beiden Sprachen Verilog und VHDL etabliert. Die Simulation und Verifikation gewinnt zunehmend immer mehr an Bedeutung, je komplexer die Schaltungen werden. Es ist nicht mehr möglich Signale Takt für Takt auf ihre Richtigkeit zu überprüfen, sondern es müssen neue Verifikationsstrategien gefunden werden. Einer davon ist die Entwicklung von HDVL- Sprachen (Hardware Description and Verification Language). Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit den bestehenden Problemen im Systementwurf und behandelt neue Sprachen und Werkzeuge die eine High-Level-Synthese ermöglichen. Im ersten Teil soll die Problematik näher dargestellt werden und einen kleinen Background geschaffen werden. Nachfolgend sollen neue HDL-Sprachen vorgestellt werden, bevor ein Überblick über High-Level-Synthese-Tools gegeben werden soll. Eine Sammlung derzeitiger Simulatoren und Back-End-Werkzeuge sollen die Tools abschließend ergänzen. Da die Herausforderung der Entwurfskomplexität nicht von einem einzelnen Unternehmen beherrschbar ist, wird auf weiterführende EDA-Organisationen und Quellen eingegangen. Abschließend soll anhand des DSP-Builders von Altera untersucht werden wie eine High-Level-Synthese aus Matlab/Simulink nach VHDL funktioniert und wie Effizient sie arbeitet. Zusammenfassung: Vor dem Hintergrund des ungebremsten Wachstums der Mikroelektronik-Branche und der exponentiellen Explosion an Komplexität, Anforderungen und Time-to-market - Vorgaben wird der Einsatz moderner Entwicklungsstrategien deutlich. Da die Entwicklung von elektronischen Systemen an die Entwicklung des Halbleitermarktes gekoppelt ist, muss über eine Verkürzung der Entwicklungsdauer dem Kostendruck und Zeitdruck entgegengewirkt werden. Die Entwurfsproduktivität muss sich jährlich um das doppelte steigern, will sie mit der Chip-Entwicklung schritt halten. Es genügt nicht mehr, mit reinen Hardwarebeschreibungssprachen eine direkte Abbildung des Systems auf einen IC zu bringen. Das Problem liegt in der langen Entwurfsdauer, die meist überproportional mit der Transistoranzahl ansteigt. Mit dem Anstieg der Entwurfskomplexität hochintegrierter Systeme steigen auch die systemspezifischen Aspekte bezüglich Laufzeiten, Verlustleistung, Chipfläche usw. Hand in Hand steigt daraus auch der Testaufwand, der überproportional mit der Gatteranzahl wächst. Es droht der zeitliche und personelle Aufwand schon in der Spezifikations- und Entwurfsphase in unzumutbarem maße zu steigen. Um die Komplexität heutiger Systeme und mögliche Anwendungen kontrollieren zu können (z.B. SoCs), bedarf es einer Automatisierung des Entwurfs auch auf höheren Entwurfsebenen (High-Level-Synthese). Die Automatisierung des Entwurfs (Electronic Automation, EDA) stellt deshalb den Schlüssel zur Mikroelektronik und damit zu den Systemen der Zukunft dar. Die Simulation und Verifikation gewinnt zunehmend immer mehr an Bedeutung, je komplexer die Schaltungen werden. Ein neuer Ansatz im Entwurf ist die Entwicklung von HDVL- Sprachen (Hardware Description and Verification Language). In der vorliegenden Arbeit werden diverse neue Sprachen zur Systembeschreibung und High-Level-Synthese-Tools vorgestellt, mit denen ein Direkteinstieg des Entwurfes auf Systemebene ermöglicht wird. Da die Herausforderung der Entwurfskomplexität nicht von einem einzelnen Unternehmen beherrschbar ist, wird auf weiterführende EDA-Organisationen und Quellen eingegangen. In dieser Arbeit wird mit dem High-Level-Tool, DSP-Builder von Altera, der Entwurf auf Systemebene untersucht. Als Einstiegspunkt dient dabei Matlab/Simulink. Ausgehend von der Spezifikation der Systemeigenschaften in Simulink, wird danach ein automatisierter -Flow bis auf die RTL-Ebene gestartet. Mit dem Front-End-Tool QuartusII kann danach die physikalische Synthese vorgenommen werden. Als Ergebnis kann festgestellt werden, dass heutige High-Level-Synthese-Tools das System produktiver und schneller gestalten. Der Entwurf mit Hilfe solcher Tools erscheint angenehmer und intuitiver, jedoch sollten die erzeugten Daten nochmals untersucht werden. Von blindem Vertrauen auf das Ergebnis ist abzuraten. Da vorliegend nur einfache Grundschaltungen getestet werden, kann eine Aussage wie sich diese Tools bei größeren Schaltungen verhalten nicht getroffen werden. Abschließend ist Festzustellen, dass Grafische Lösungsansätze keine wirklichen Lösungen darstellen. Größere Bedeutung wird in Zukunft wohl den Systembeschreibungssprachen zukommen.
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