エグゼクティブ サマリー
半導体業界は、設計の複雑化、より厳密な性能要件、そして市場投入までの時間短縮へのニーズを背景に、変革の局面を迎えています。こうした要求に対応するため、エンジニアリング チームには、従来サイロ化されてきたアナログ、デジタル、検証の各領域にわたるワークフローを統合することが求められています。MATLAB® および Simulink® を用いたモデルベースデザインを採用することで、アルゴリズムの初期開発やアーキテクチャ モデリングから、PPA (性能・消費電力・面積) を考慮した RTL 生成、UVM 検証、シグナル インテグリティ解析、さらに業界標準の電子設計自動化ツールとの連携に至るまで、半導体ライフサイクル全体を網羅した統合が可能になります。
本ホワイトペーパーでは、MATLAB と Simulink が、半導体設計および検証におけるエンドツーエンドのワークフローをどのように円滑にし、イノベーションの加速、リスクの低減、高性能システムの提供をどのように支援するのかを解説します。MATLAB と Simulink は、早期検証とアーキテクチャ検討の実現、PPA を考慮した RTL 生成の支援、さらに Cadence®、Synopsys®、Siemens EDA® の EDA ワークフローとの連携を通じて、検証工程のシフトレフト、コラボレーションの効率化、成果の最適化を支援します。
従来の半導体のワークフローは分断されています。アナログチームとデジタルチームは通常、相互に連携していないツールやプロセスを用いて、独立して業務を進めています。こうした分断は、非効率性や設計後半での問題、性能目標の未達を招く要因となります。MATLAB と Simulink は、EDA ツールとの連携によって設計プロセスのすべてのフェーズをつなぐ、統合されたモデリング/シミュレーション環境を提供することで、これらの課題に対処します。
この統合は、単なる利便性にとどまるものではなく、戦略的に重要な役割を果たします。既存の MATLAB および Simulink のモデルを、ゴールデン リファレンスや刺激信号生成、あるいは PPA を考慮した合成可能な RTL や IBIS-AMI モデルの生成に再利用することで、アーキテクチャ モデリングとハードウェア実装との間のギャップを埋めることができます。このアプローチにより、生産性が向上するだけでなく、設計および検証の各段階における一貫性の維持とコラボレーションの促進にもつながります。このホワイトペーパーの以下のセクションでは、半導体設計および検証における重要なワークフローの例として、以下の 3 つを取り上げ、これらの利点をご説明します。
- 早期ミックスドシグナル動作モデリング
- 現実的なシナリオに基づくアーキテクチャ検証
- PPA を考慮した合成可能な RTL の生成
これらのワークフローはいずれも、まとまりのあるエンドツーエンドの半導体設計戦略に貢献するとともに、モデルベースデザインや早期検証へと向かう業界全体の潮流を反映しています。
200 Gb/s を超える SerDes のような高速ミックスドシグナル システムは、アナログおよびデジタル コンポーネントを統合して構成されることから、特有の課題を伴います。このようなシステムでは、データコンバーター、クロック シンセサイザー、電圧リファレンスといったコンポーネントが、プロセスばらつき、温度ドリフト、電源電圧の変動に対して高い耐性を備えていることが求められます。
従来のワークフローでは、検証が設計サイクルの後半まで遅れることが多く、結果として、コストのかかる再設計のリスクが高まります。早期の動作モデリングは、最終実装に入る前の段階でシステム コンポーネントのシミュレーションと検証を可能にすることで、こうした課題に対応します。エンジニアはアーキテクチャモデルから動作モデルを生成して、それらを EDA シミュレーター上でシミュレーションすることができます。これにより、サブシステムを並行して開発することが可能になります。
たとえば SerDes システムでは、アナログ デジタル コンバーター (ADC) の動作モデルを用いることで、最終的な ADC 設計が完了するのを待たずにキャリブレーション方式の設計を進めることができます。このような並行開発により、開発が加速され、反復的な改善が促進されます。
動作モデルを早期に取り入れることで、エンジニアは設計リスクを低減し、柔軟性を高め、システム全体の性能を向上させることができます。このアプローチは、現代のミックスドシグナル システムが持つ複雑さを管理し、競争の激しい環境で優位性を維持するために不可欠です。
補正ループを含むシステムモデル。
最新の半導体システム、特に車載レーダーの用途で使用されるシステムには、多様かつ動的な環境条件下でも確実に動作することが求められます。従来の検証手法では、抽象的なテストパターンに依存することが多く、実環境の複雑さを十分に捉えられない場合があります。その結果、開発後期になって問題が顕在化し、顧客要件との乖離が生じることがあります。
MATLAB と Simulink を使用すると、エンジニアは IC アーキテクチャをモデル化し、いわゆる環境インザループ検証によって、現実的な環境下でその挙動を評価できます。たとえば、レーダー IC のアーキテクチャは、Euro NCAP® などの業界標準に基づく、実際の運転シナリオを用いてモデル化および評価することが可能です。これらの運転シナリオは道路上の状況を再現しており、信号対雑音比 (SNR) や全高調波歪み (THD) といったシステムレベルの指標を、開発初期段階で検証できます。
この手法では、低レベルの実装の詳細ではなく、データシートレベルの性能指標に重点を置くことで、検証をシフトレフトします。エンジニアは高レベルモデルを用いて現実的なテスト環境を生成し、それを使って IC アーキテクチャモデルを検証することで、検証基準を最終的なユーザー要件と整合させることができます。さらにこのアプローチは、反復的な設計改善も支援します。設計変更が発生した場合でも、テストベンチを作り直すことなく迅速に対応できるため、開発の柔軟性が高まります。
シミュレーションによる車載レーダーのシナリオ。
このように、現実的なシナリオをアーキテクチャ検証に取り込むことで、カバレッジを向上させ、リスクを低減し、半導体システムが実環境において性能要件を満たすことを確実にできます。
高レベルのアルゴリズムを、効率的で合成可能な RTL に変換することは、デジタル設計における重要な工程です。エンジニアは、機能の正確性を確保しながら、PPA に関する厳しい制約を満たさなければなりません。
HDL Coder™ を使用すると、MATLAB コードや Simulink モデルを、Verilog、SystemVerilog、VHDL などの RTL、または Cadence Stratus などの高位合成ツールと互換性のある合成可能な SystemC に自動変換できます。
PPA 解析のワークフロー。
たとえば、MATLAB 上で開発した暗号化アルゴリズムを SystemC に変換し、Cadence Stratus を用いて RTL に合成することができます。このツールは、順序回路および組み合わせ回路の面積、レジスタ使用量、クロック周波数、レイテンシ、消費電力など、詳細な PPA レポートを提供します。
この迅速なフィードバックループにより、エンジニアは設計トレードオフを評価し、開発初期段階で実装の最適化を行うことができます。このワークフローには、生成されたテストベンチやインターフェイス ラッパーを用いた機能検証も含まれており、ハードウェアへの展開前に正確性を確認できます。
MATLAB はアルゴリズム設計、コード生成、PPA 解析を統合することで、エンジニアが高性能かつ省電力なハードウェア ソリューションを提供できるようにします。このアプローチにより、ソフトウェアによるモデリングとハードウェア実装の間のギャップが埋められ、イノベーションの加速と市場投入までの時間短縮が可能になります。
MATLAB と Simulink は、アナログおよびデジタルの領域にわたる半導体設計および検証ワークフローを統合する、包括的なプラットフォームを提供します。システムアーキテクチャの早期モデリング、現実的な検証環境、RTL 生成、そして EDA ワークフローとの連携を可能にすることで、エンジニアリングチームは開発を加速し、リスクを低減し、高性能なシステムを提供できます。
半導体業界が進化を続ける中、モデルベースデザインのようなエンドツーエンドのアプローチを採用することは、市場競争力を維持し、市場の要求に迅速に対応するために、ますます重要になっています。早期のアーキテクチャ検討、既存モデルの再利用、現実的なシナリオに基づく検証を可能にすることで、これらのツールは開発サイクルの効率化、コラボレーションの向上、そして実環境における性能要件を満たす半導体システムの実現を支援します。
