FPGA 디자인 프로세스에서는 다양한 단계의 시뮬레이션을 통해 설계가 예상대로 작동하는지 확인합니다. 이러한 시뮬레이션은 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: Post-Synthesis Functional Simulation, Timing Simulation, 그리고 Post-Implementation Functional Simulation입니다. 각 시뮬레이션은 디자인 프로세스의 다른 단계에서 수행되며, 설계의 정확성과 성능을 검증하는 데 중요한 역할을 합니다.
1. Post-Synthesis Functional Simulation
- 목적: 합성 과정 이후에 설계가 기능적으로 올바르게 작동하는지 검증합니다.
- 방법: RTL 디자인이 논리 게이트로 변환된 후, 이 합성된 네트리스트를 사용하여 시뮬레이션을 수행합니다. 이 시뮬레이션은 디자인의 기능적인 측면만을 검증하며, 타이밍 정보는 고려하지 않습니다.
- 중요성: 합성 과정에서 RTL 코드의 논리 구조가 게이트 레벨로 올바르게 변환되었는지 확인합니다. 이를 통해 합성 도구가 소스 코드를 정확하게 해석하고 구현했는지 검증할 수 있습니다.
2. Timing Simulation (Post-Synthesis Timing Simulation)
- 목적: 합성된 디자인이 타이밍 요구 사항을 충족하는지 검증합니다.
- 방법: 합성 결과물인 게이트 레벨의 네트리스트와 타이밍 정보를 함께 사용하여 시뮬레이션을 진행합니다. 이는 회로의 성능을 예측하고, 데이터 패스의 지연 시간 및 클록 주기 내에 데이터가 올바르게 전송되는지 확인하는 데 사용됩니다.
- 중요성: FPGA에서의 실제 작동 속도와 조건들을 모델링하여 설계가 시스템의 타이밍 요구 사항을 만족시키는지 확인합니다. 타이밍 위반 문제를 이 단계에서 식별하고 수정할 수 있습니다.
3. Post-Implementation Functional Simulation
- 목적: 최종 구현(배치 및 라우팅 완료 후) 후에 설계가 여전히 기능적으로 올바르게 작동하는지 검증합니다.
- 방법: 최종적으로 배치 및 라우팅된 디자인을 사용하여 기능적 시뮬레이션을 수행합니다. 이 시뮬레이션은 물리적 배치와 연결에 의해 발생할 수 있는 기능적 문제를 찾아냅니다.
- 중요성: 설계가 실제 하드웨어에서 구현된 후에도 예상대로 작동하는지 확인합니다. 이 시뮬레이션을 통해, 배치 및 라우팅 과정에서 발생할 수 있는 문제를 사전에 발견하고 해결할 수 있습니다.
이러한 시뮬레이션들은 디자인의 다양한 측면을 검증하며, 설계가 생산 전에 요구 사항을 만족하는지 확실히 보장합니다. 각 단계는 설계가 실제 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 중요한 검증 과정을 제공합니다.
디자인의 기능적인 측면이란, 설계된 시스템이나 회로가 의도된 대로 정확하게 작동하는지를 확인하는 것을 의미합니다. 즉, 입력에 따라 예상되는 출력이 제대로 나오는지, 모든 기능적 요구사항을 충족하는지를 검사하는 것입니다.
기능적 측면의 중요성
디자인의 기능적 측면을 확인하는 것은 하드웨어 및 소프트웨어 개발 모두에서 필수적입니다. 기능적 검증을 통해 다음을 확실하게 할 수 있습니다:
- 정확성: 시스템이 정의된 사양과 요구사항에 맞게 정확하게 작동하는지 확인합니다. 예를 들어, 계산기 설계에서 정확한 산술 연산이 수행되는지, 메모리 회로에서 데이터가 올바르게 저장되고 검색되는지 등을 검증합니다.
- 완전성: 설계된 모든 기능이 구현되었는지 확인합니다. 시스템에 필요한 모든 기능적 요소가 존재하고, 누락된 기능이 없는지 검사합니다.
- 오류 감지: 설계 과정에서 발생할 수 있는 논리적 오류나 구현 오류를 식별합니다. 이는 초기 단계에서 문제를 해결하여 비용을 절감하고 최종 제품의 품질을 향상시킵니다.
기능적 시뮬레이션 예시
예를 들어, FPGA에서 처리할 통신 프로토콜을 설계하는 경우, 기능적 시뮬레이션은 프로토콜이 모든 예상된 시나리오에서 올바르게 데이터를 수신, 처리 및 전송하는지를 검증합니다. 이를 통해 데이터 패킷의 처리가 사양에 맞게 정확하게 이루어지는지 확인할 수 있습니다.
기능적 시뮬레이션은 주로 소프트웨어 모델링 툴이나 시뮬레이터를 사용하여 수행되며, 시스템의 논리적 및 기능적 동작을 정확히 모델링하여 실제 운영 환경에서의 성능을 예측할 수 있도록 합니다. 이는 시스템 설계의 초기 단계에서 매우 중요한 과정으로, 후속 단계에서의 비용과 시간을 크게 절약할 수 있게 해 줍니다.
Timing Simulation (Post-Synthesis Timing Simulation)에서 사용되는 타이밍 정보는 합성 과정에서 생성된 타이밍 데이터와 함께, 사용되는 기술 라이브러리나 제조 공정에서 제공하는 정보를 포함합니다. 이 정보는 주로 다음과 같은 요소들로 구성됩니다:
1. SDC (Synopsys Design Constraints) 파일
SDC 파일은 타이밍에 대한 요구사항을 정의하는 파일로, FPGA나 ASIC 설계에서 널리 사용됩니다. 이 파일에는 클록 정의, 클록 도메인 간의 타이밍 제약, I/O 타이밍 요구사항, 데이터 패스 요구사항 등이 포함됩니다. SDC 파일은 설계자가 명시적으로 정의하며, 이를 통해 시스템의 타이밍 성능을 측정하고 검증합니다.
2. 표준 셀 라이브러리
표준 셀 라이브러리는 각 논리 게이트와 회로 요소의 타이밍 특성을 포함합니다. 이 라이브러리에는 게이트의 전파 지연(propagation delay), 설정 시간(setup time), 보유 시간(hold time) 등의 타이밍 정보가 포함되어 있으며, 이는 특정 제조 공정에 맞춰 최적화됩니다.
3. 플로어플랜 및 배치 정보
합성 후의 타이밍 분석에서는 초기 배치 정보를 참조할 수 있습니다. 이 정보는 회로 요소와 논리 블록의 물리적 위치에 대한 데이터를 포함하며, 신호 경로의 길이와 위치에 따라 신호 전파에 걸리는 시간을 계산하는 데 사용됩니다.
4. 라우팅 정보
최종 라우팅 단계에서 생성되는 정보로, 실제 신호가 FPGA나 ASIC 칩 내에서 어떤 경로를 통해 전송되는지에 대한 데이터를 포함합니다. 이 정보는 신호의 전파 지연을 정확하게 예측하는 데 중요합니다.
Timing Simulation의 목적
이러한 타이밍 정보를 사용하여 Timing Simulation을 수행하는 목적은 다음과 같습니다:
- 타이밍 위반 식별: 설계가 시스템의 클록 속도와 타이밍 요구사항을 충족하는지 확인하고, 문제가 있는 경우 조정합니다.
- 성능 최적화: 데이터 패스 최적화를 통해 시스템의 전체적인 성능을 향상시킵니다.
- 신뢰성 보장: 타이밍 문제로 인한 시스템의 불안정성을 방지하여, 제품의 신뢰성을 보장합니다.
이러한 정보와 시뮬레이션을 통해 설계자는 설계가 실제 제조 공정과 환경에서 안정적으로 작동할 것인지를 보다 정확하게 예측하고 검증할 수 있습니다.