Insight in analog systems: a semi-symbolic approach using enhanced deviation traceability

Abstract

Technologische Innovationen im Bereich von eingebetteten Computer-Systemen treiben den Entwicklungsstand von elektronischen Geräten immer weiter voran. Die Performance eines Systems, welche unter anderem durch innere Systemeigenschaften wie Robustheit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit definiert ist, kann dabei durch Unsicherheiten wesentlich vermindert werden. Unsicherheiten wie zum Beispiel Schwankungen in Versorgungsspannungen, Toleranzen in Herstellungsprozessen von Bauelementen und Temperaturveränderungen, resultieren in unvorhersehbare, unspezifizierte Schwankungen in Systemparametern. In dieser Arbeit werden Parameterschwankungen bereits in der modellgetriebenen Entwurfsphase eines Systems berücksichtigt. Neben den existierenden klassischen Ansätzen, bei denen numerische Simulationen mehrfach ausgeführt werden, konzentriere ich mich auf semi-symbolische Methoden basierend auf affiner Arithmetik. Mittels semi-symbolischer Methoden wird das Verfolgen von Abweichungen und somit deren Fortpflanzung über Funktionsblöcke in Simulationsprozessen abgebildet. Dies eröffnet ein völlig neues, erweitertes Spektrum an Analysemöglichkeiten, welche Entwickler helfen Parameterschwankungen und deren Auswirkungen bzw. Effekte im System besser zu verstehen, und somit gezielt Optimierungspotentiale aufzuzeigen. Die Entwicklung von Analyseprozessen ist der primäre wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit. Um dies zu erreichen, musste eine Reihe neuer Konzepte erstellt werden, welche anschließend als Open-Source-Software-Framework implementiert wurden. Schließlich zeige ich die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Methoden anhand von demonstrativen Beispielen. Diese sind dabei auf verschiedensten Abstraktionsebenen, von high-level Verhaltensbeschreibungen bis zur Modellierung von Parametervariationen in Halbleiterstrukturen, definiert. Die Beispiele unterstreichen die vielseitige Verwendung des entwickelten Software-Frameworks, sowie die Vorteile der erwähnten Verfolgbarkeit von Unsicherheiten im Systemmodell. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen Entwickler zur Integration von semi-symbolische Modellierungs-, Simulations- und Analysetechniken im System Design Flow motivieren. Für zukünftige Anwendungen werden derartige Modellierungs-, Simulations- und Analyseprozesse absolut notwendig, um den Anstieg an Systemkomplexität und die zunehmende Anzahl unsicherer Systemparametern zu bewältigen.

Technological innovations in the field of embedded systems are pushing the development of devices even further. The achieved performance is significantly influenced by inner systems characteristics such as robustness, accuracy, and reliability. These characteristics are potentially affected by uncertainties which are represented by unpredictable, unspecified deviations of parameters. The goal of this thesis is to consider such parameter deviations during model-driven system development processes. Besides classical approaches, where numerical simulations are executed multiple times, I focus in semi-symbolic methods based on affine Arithmetic forms. They enable a new spectrum of analysis features which evaluate the propagation of deviations through functional blocks, give a more precise understanding of deviation impacts, and enable efficient identification of potential optimization. The development of such new analysis techniques, consequencing the mentioned benefits for system