설계 자동화와 도구 - 실험 도서관

RTL 설계 및 시뮬레이션

RTL(Register Transfer Level) 설계는 하드웨어 설계의 중요한 단계로, 시스템의 동작을 레지스터와 그 사이의 데이터 전송 관점에서 모형화하는 것이다. 이는 VHDL, Verilog 같은 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용하여 기술되며, 실제 하드웨어의 작동을 추상적으로 나타낸다.

RTL 설계의 개념

RTL 설계에서는 시스템의 동작이 클럭 에지마다 어떻게 변하는지를 기술한다. 이는 다음의 두 가지로 주요하게 나눌 수 있다. - 데이터 경로(Data Path): 레지스터와 ALU, 멀티플렉서, 디코더, 인코더 등의 연산 장치들의 모임으로, 데이터가 흐르고 변환되는 경로. - 제어 경로(Control Path): 상태 기계나 순서 회로(Sequential Circuit)로, 데이터 경로의 조작을 제어하는 신호를 생성.

RTL 시뮬레이션

RTL 시뮬레이션은 설계된 RTL 코드가 의도한 대로 동작하는지 검증하는 과정이다. 시뮬레이션은 다양한 시뮬레이터 도구를 통해 수행되며, 가장 일반적인 시뮬레이터로는 ModelSim, VCS, NC-Sim 등이 있다.

시뮬레이션의 단계

컴파일: RTL 코드를 HDL 시뮬레이터가 이해할 수 있는 포맷으로 변환.
엘라보레이션(Elaboration): 설계 내의 모든 인스턴스를 생성하고 특정 초기 값을 설정.
시뮬레이션: 테스트 벤치(Testbench)를 사용하여 입력을 주고 출력을 검증.

예제 코드

Verilog 코드 예제

다음은 간단한 4비트 카운터의 Verilog 예제이다.

module counter(
    input wire clk,
    input wire reset,
    output reg [3:0] count
);

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset)
        count <= 4'b0000;
    else
        count <= count + 1;
end

endmodule

테스트 벤치 작성

테스트 벤치는 설계된 RTL 모듈을 검증하기 위해 사용된다. 다음은 위의 4비트 카운터를 위한 간단한 테스트 벤치 예제이다.

module tb_counter;

reg clk;
reg reset;
wire [3:0] count;

counter uut (
    .clk(clk),
    .reset(reset),
    .count(count)
);

initial begin
    $monitor($time, " clk=%b reset=%b count=%b", clk, reset, count);
    clk = 0;
    reset = 1;
    #10 reset = 0;
end

always #5 clk = ~clk;

endmodule

시뮬레이션 결과 분석

$monitor는 시뮬레이션 동안 시간 변화마다 값을 출력하는 데 사용된다. 이를 통해 설계된 카운터 모듈이 의도한 대로 작동하는지 확인할 수 있다.

주요 개념

타이밍 분석

RTL 시뮬레이션에서는 주로 Functional Correctness(기능적 정합성)를 검증하지만, 타이밍 분석을 통해 특정 클럭 주기 내에 처리가 완료되는지도 확인해야 한다. 이는 설계가 실제 시스템에서 제대로 동작할 수 있도록 보장해준다.

이 과정을 통해 설계의 초기 오류를 발견하고 수정함으로써 최종 칩 제조 전에 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

합성 및 최적화

하드웨어 설계에서 RTL 수준의 설계는 가독성이 높고 이해하기 쉽지만, 실제로 칩에 구현되기 위해서는 물리적 게이트 레벨로 변환되는 과정이 필요하다. 이 과정을 합성이라고 한다. 합성은 RTL 설계를 게이트 수준의 넷리스트(netlist)로 변환하는 것으로, 이는 실제 하드웨어 디바이스에 배치될 수 있다.

합성의 단계

논리적 합성(Logical Synthesis): RTL 코드에서 논리 게이트로 변환.
기술 매핑(Technology Mapping): 특정 제조 공정(technology)의 라이브러리를 사용하여 논리 게이트를 실제 물리적 셀이 있는 라이브러리로 변환.
최적화(Optimization): 성능, 면적, 소비 전력을 고려하여 최적화. 이 과정에서는 주로 속도와 전력 소비의 트레이드오프가 발생한다.

합성 도구

합성 도구는 자동화된 합성 과정을 통해 설계를 최적화하고 검증하는 도구를 제공한다. Synopsys의 Design Compiler, Cadence의 Genus, Mentor Graphics의 Precision 등이 주요 합성 도구로 널리 사용된다.

예제

합성 스크립트

합성 도구 사용 예제를 보면 일반적으로 스크립트를 통해 수행되며, 다음과 같은 형식의 스크립트를 사용할 수 있다.

read_verilog counter.v
read_liberty my_library.lib
set_top_module counter
set_clock_frequency 100
synthesize
write_netlist counter_netlist.v

최적화 기술

합성 도구는 다양한 최적화 기술을 통해 성능과 에너지 효율성을 높인다.

레지스터 병합

클럭 사이클 수를 줄이기 위해 여러 개의 작은 레지스터를 병합하여 더 큰 레지스터로 만든다.

파이프라이닝

연산 과정을 여러 단계로 나누어 클럭 사이클 당 처리량을 높인다. 이는 주로 고속 연산이 필요한 시스템에서 사용된다.

합성 및 최적화는 설계된 하드웨어를 실제로 칩에 구현하기 위한 중요한 단계로, 이 과정을 통해 성능, 전력 소비, 면적 등이 최적화된다.

배치 및 라우팅

배치 및 라우팅은 합성된 게이트 레벨 넷리스트를 실제 실리콘 다이에 효율적으로 배치하고 라우팅하는 과정이다. 이는 칩의 성능, 전력 소모 및 면적에 큰 영향을 미친다.

배치(Placement)

배치 과정에서는 게이트와 표준 셀을 효율적으로 배치하여 목표 성능을 달성한다. 배치 단계에서 주요 고려 사항은 다음과 같다: - 클럭 도메인 분할: 서로 다른 클럭 도메인을 가진 셀을 적절히 분리. - 전력 배치: 전력 소모를 최적화하기 위해 고전력 셀과 저전력 셀의 최적 분포.

라우팅(Routing)

라우팅은 각 셀 간의 물리적 전기 연결을 생성하는 과정이다. 라우팅은 주로 두 단계로 이루어진다: 1. 전역 라우팅(Global Routing): 전체적인 연결 구조를 결정. 2. 세부 라우팅(Detailed Routing): 각 연결의 구체적 경로 설정.

주요 도구

배치 및 라우팅 도구는 Cadence의 Innovus, Synopsys의 IC Compiler 등을 포함한다. 이들 도구는 자동화된 배치 및 라우팅 알고리즘을 제공하여 최적의 설계를 구현한다.

검증

배치 및 라우팅 후에는 다양한 검증 과정이 필요하다. - Design Rule Check(DRC): 설계 규칙 위반 여부를 검토. - Layout Versus Schematic(LVS): 넷리스트와 실제 레이아웃 간 일관성 검토. - Static Timing Analysis(STA): 시간적 제약 조건을 충족하는지 검토.

배치 및 라우팅은 칩 제작 과정에서 매우 중요한 단계로, 결과물의 성능과 신뢰성을 직접적으로 결정한다. 이를 통해 최종 칩이 설계 목표에 맞게 동작할 수 있음을 보장한다.