Powerful sequential optimization techniques can drastically change the Integrated Circuit (IC) design paradigm. Due to the limited capability of sequential verification tools, aggressive sequential optimization is shunned nowadays as there is no efficient way to prove the preservation of equivalence after optimization. Due to the fact that the number of transistors fitting on single fixed-size die increases with Moore's law, the problem gets harder over time and in an exponential rate. It is no surprise that functional verification becomes a major bottleneck in the time-to-market of a product. In fact, literature has reported that 70% of design time is spent on making sure the design is bug-free and operating correctly. One of the core verification tasks in achieving high quality products is equivalence checking. Essentially, equivalence checking ensures the preservation of optimized product's functionality to the unoptimized model. This is important for industry because the products are modified constantly to meet different goals such as low power, high performance, etc. The mainstream in conducting equivalence checking includes simulation and formal verification. In simulation approach, golden design and design under verification (DUV) are fed with same stimuli for input expecting outputs to produce identical responses. In case of discrepancy, traces will be generated and DUV will undergo modifications. With the increase in input pins and state elements in designs, exhaustive simulation becomes infeasible. Hence, the completeness of the approach is not guaranteed and notions of coverage has to be accompanied. On the other hand, formal verification incorporates mathematical proofs and guarantee the completeness over the search space. However, formal verification has problems of its own in which it is usually resource intensive. In addition, not all design can be verified after optimization processes. That is to say the golden model and DUV are vastly different in structure which cause modern checker to give inconclusive result. Due to this nature, this thesis focuses in improving the strength and the efficiency of sequential equivalence checking (SEC) using formal approach. While there has been great strides made in the verification for combinational circuits, SEC still remains rather rudimentary. Without powerful SEC as a backbone, aggressive sequential synthesis and optimization are often avoided if the optimized design cannot be proved to be equivalent to the original one. In an attempt to take on the challenges of SEC, we propose two frameworks that successfully determining equivalence for hard-to-verify circuits. The first framework utilizes arbitrary relations between any two nodes within the two sequential circuits in question. The two nodes can reside in the same or across the circuits; likewise, they can be from the same time-frame or across time-frames. The merit for this approach is to use global structure of the circuits to speed up the verification process. The second framework introduces techniques to identify subset but yet powerful multi-node relations (involve more than 2 nodes) which then help to prune large don't care search space and result in a successful SEC framework. In contrast with previous approaches in which exponential number of multi-node relations are mined and learned, we alleviate the computation cost by selecting much fewer invariants to achieve desired conclusion. Although independent, the two frameworks could be used in sequential to complement each other. Experimental results demonstrate that our frameworks can take on many hard-to-verify cases and show a significant speed up over previous approaches. / Master of Science

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A verificação funcional é o conjunto de tarefas destinado a descobrir erros gerados durante o projeto de circuitos integrados, e representa um importante desafio ao influenciar fortemente a eficiência do ciclo inteiro de produção. Estima-se que até 80% dos custos totais de projeto são devidos à verificação, tornando esta atividade o gargalo principal para reduzir o time-to-market. Tal problemática tem provocado a aparição de diversas estratégias para diminuir o esforço, ou para aumentar a capacidade de cobertura da verificação. Por um lado existe a simulação, que permite descobrir um número razoável de erros de projeto; porém, a lentidão da simulação de descrições RTL torna mínima a cobertura real de estados. Por outro lado, os métodos formais de verificação fornecem alta cobertura de estados. Um deles é a checagem de modelos, que checa a validade de um conjunto de propriedades para todos os estados do projeto sob verificação. No entanto, esta técnica padece do problema de explosão de estados, e da dificuldade de especificar um conjunto robusto de propriedades. Outra alternativa formal é a checagem de equivalência que, ao invés de verificar propriedades, compara o projeto com um modelo de referência. No entanto, a checagem de equivalência tradicional é aplicável, unicamente, a descrições no mesmo nível de abstração, e com interfaces idênticas. Como fato importante, não foram encontrados registros na literatura de sobre a verificação formal de descrições RTL, considerando ambos os aspectos computacionais (presentes no modelo de referência) e de comunicação às interfaces (provenientes da especificação funcional de protocolo). Neste trabalho apresenta-se uma metodologia de verificação formal, através do uso de técnicas de checagem de equivalência para determinar a validade de uma implementação em RTL, comparando-a com um modelo de referência em alto nível, e com um modelo formal do protocolo de comunicação. Para permitir tal checagem, a metodologia baseia-se no conceito de sequências de estados, ao invés de estados individuais como na checagem de equivalência tradicional. As discrepâncias entre níveis diferentes de abstração são consideradas, incluindo alfabetos diferentes, mapeamento entre estados, e dessemelhanças temporais. A caracterização e solução do problema são desenvolvidas através de um quadro teórico, onde se apresentam conceitos, e definições, cuja validade é provada formalmente. Uma ferramenta para aplicação prática da metodologia foi desenvolvida e aplicada sobre diferentes tipos de descrições RTL, escritas nas linguagens VHDL e SystemC. Os resultados demonstram efetividade e eficiência na verificação formal de circuitos digitais que incluem, mas não se limitam à correção de erros, encriptação, processamento de imagens, e funções matemáticas. Também, evidencia-se a capacidade da ferramenta para descobrir erros de tipo combinatório e sequencial injetados propositalmente, relacionados com a funcionalidade do modelo de referência, assim como, com a da especificação do protocolo de comunicação, dentro de tempos e número de iterações praticáveis em casos reais. / Functional verification is the group of tasks aiming the discovery of bugs created during integrated circuit design, and represents an important challenge by its strong influence on efficiency throughout production cycles. As an estimative, up to 80% of the whole design costs are due to verification, which makes verification the greatest bottleneck while attempting to reduce time-to-market. Such problem has given rise to a series of techniques to reduce the effort, or to increase verification coverage capability. On the one side, simulation allows finding a good number of bugs, but it is still far from reaching high state coverage because of RTL cycle-accurate slowness. On the other side, formal approaches supply high state coverage. Model checking, for instance, checks the validness of a set of properties for all designs states. However, a strong disadvantage resides in defining and determining the quality of the set of properties to verify, not to mention state explosion. Sequential equivalence checking, which instead of checking properties compares the design with a reference model. Nevertheless, traditionally it can only be applied between circuit descriptions where a one-to-one correspondence for states, as well as for memory elements, is expected. As a remarkable issue, no works were found in literature that dealt with formal verification of RTL designs, while taking care of both computational aspects, present in the high-level reference model, and interface communication aspects, which proceed from the protocol functional specification. This work presents a formal verification methodology, which uses equivalence checking techniques, to validate RTL descriptions through direct comparison with a high-level reference model, and with formal model of the communication protocol. It is based on extracting and comparing complete sequences of states, instead of single states as in traditional equivalence checking, in order to determine if the design intention is maintained in RTL implementation. The natural discrepancies between system level and RTL code are considered, including non-matching interface and memory elements, state mapping, and process concurrency. For the complete problem characterization and solution, a theoretical framework is introduced, where concepts and definitions are provided, and whose validity is formally proved. A tool to apply systematically the methodology was developed and applied on different types of RTL descriptions, written in VHDL and SystemC languages. The results show that the approach may be applied effectively and efficiently to verify formally digital circuits that include, but are not limited to error correction, encryption, image processing, and math functions. Also, evidence has been obtained about the capacity of the tool to discover both combinatory and sequential bugs injected on purpose, related with computational and protocol functionalities, on real scenarios.

A verificação funcional é o conjunto de tarefas destinado a descobrir erros gerados durante o projeto de circuitos integrados, e representa um importante desafio ao influenciar fortemente a eficiência do ciclo inteiro de produção. Estima-se que até 80% dos custos totais de projeto são devidos à verificação, tornando esta atividade o gargalo principal para reduzir o time-to-market. Tal problemática tem provocado a aparição de diversas estratégias para diminuir o esforço, ou para aumentar a capacidade de cobertura da verificação. Por um lado existe a simulação, que permite descobrir um número razoável de erros de projeto; porém, a lentidão da simulação de descrições RTL torna mínima a cobertura real de estados. Por outro lado, os métodos formais de verificação fornecem alta cobertura de estados. Um deles é a checagem de modelos, que checa a validade de um conjunto de propriedades para todos os estados do projeto sob verificação. No entanto, esta técnica padece do problema de explosão de estados, e da dificuldade de especificar um conjunto robusto de propriedades. Outra alternativa formal é a checagem de equivalência que, ao invés de verificar propriedades, compara o projeto com um modelo de referência. No entanto, a checagem de equivalência tradicional é aplicável, unicamente, a descrições no mesmo nível de abstração, e com interfaces idênticas. Como fato importante, não foram encontrados registros na literatura de sobre a verificação formal de descrições RTL, considerando ambos os aspectos computacionais (presentes no modelo de referência) e de comunicação às interfaces (provenientes da especificação funcional de protocolo). Neste trabalho apresenta-se uma metodologia de verificação formal, através do uso de técnicas de checagem de equivalência para determinar a validade de uma implementação em RTL, comparando-a com um modelo de referência em alto nível, e com um modelo formal do protocolo de comunicação. Para permitir tal checagem, a metodologia baseia-se no conceito de sequências de estados, ao invés de estados individuais como na checagem de equivalência tradicional. As discrepâncias entre níveis diferentes de abstração são consideradas, incluindo alfabetos diferentes, mapeamento entre estados, e dessemelhanças temporais. A caracterização e solução do problema são desenvolvidas através de um quadro teórico, onde se apresentam conceitos, e definições, cuja validade é provada formalmente. Uma ferramenta para aplicação prática da metodologia foi desenvolvida e aplicada sobre diferentes tipos de descrições RTL, escritas nas linguagens VHDL e SystemC. Os resultados demonstram efetividade e eficiência na verificação formal de circuitos digitais que incluem, mas não se limitam à correção de erros, encriptação, processamento de imagens, e funções matemáticas. Também, evidencia-se a capacidade da ferramenta para descobrir erros de tipo combinatório e sequencial injetados propositalmente, relacionados com a funcionalidade do modelo de referência, assim como, com a da especificação do protocolo de comunicação, dentro de tempos e número de iterações praticáveis em casos reais. / Functional verification is the group of tasks aiming the discovery of bugs created during integrated circuit design, and represents an important challenge by its strong influence on efficiency throughout production cycles. As an estimative, up to 80% of the whole design costs are due to verification, which makes verification the greatest bottleneck while attempting to reduce time-to-market. Such problem has given rise to a series of techniques to reduce the effort, or to increase verification coverage capability. On the one side, simulation allows finding a good number of bugs, but it is still far from reaching high state coverage because of RTL cycle-accurate slowness. On the other side, formal approaches supply high state coverage. Model checking, for instance, checks the validness of a set of properties for all designs states. However, a strong disadvantage resides in defining and determining the quality of the set of properties to verify, not to mention state explosion. Sequential equivalence checking, which instead of checking properties compares the design with a reference model. Nevertheless, traditionally it can only be applied between circuit descriptions where a one-to-one correspondence for states, as well as for memory elements, is expected. As a remarkable issue, no works were found in literature that dealt with formal verification of RTL designs, while taking care of both computational aspects, present in the high-level reference model, and interface communication aspects, which proceed from the protocol functional specification. This work presents a formal verification methodology, which uses equivalence checking techniques, to validate RTL descriptions through direct comparison with a high-level reference model, and with formal model of the communication protocol. It is based on extracting and comparing complete sequences of states, instead of single states as in traditional equivalence checking, in order to determine if the design intention is maintained in RTL implementation. The natural discrepancies between system level and RTL code are considered, including non-matching interface and memory elements, state mapping, and process concurrency. For the complete problem characterization and solution, a theoretical framework is introduced, where concepts and definitions are provided, and whose validity is formally proved. A tool to apply systematically the methodology was developed and applied on different types of RTL descriptions, written in VHDL and SystemC languages. The results show that the approach may be applied effectively and efficiently to verify formally digital circuits that include, but are not limited to error correction, encryption, image processing, and math functions. Also, evidence has been obtained about the capacity of the tool to discover both combinatory and sequential bugs injected on purpose, related with computational and protocol functionalities, on real scenarios.

Předmětem dizertační práce je návrh nových technik pro verifikaci hardwaru, které jsou optimalizovány pro použití v procesu souběžného vývoje hardwaru a softwaru. V rámci tohoto typu vývoje je hardware spolu se software vyvíjen paralelně s cílem urychlit vývoj nových systémů. Současné nástroje pro tvorbu mikroprocesorů stavějící na tomto stylu vývoje obvykle umožňují vývojářům ověřit jejich návrh využitím různých simulačních technik a/nebo za pomoci tzv. funkční verifikace. Společnou nevýhodou těchto přístupů je, že se zaměřují pouze na hledání chyb. Výsledný produkt tedy může stále obsahovat nenalezené netriviální defekty. Z tohoto důvodu se v posledních letech stává stále více žádané nasazení formálních metod. Na rozdíl od výše uvedených přístupů založených na hledání chyb, se formální verifikace zaměřuje na dodání rigorózního důkazu, že daný systém skutečně splňuje požadované vlastnosti. I když bylo v uplynulých letech v této oblasti dosaženo značného pokroku, tak aktuální formální přístupy nemají zdaleka schopnost plně automaticky prověřit všechny relevantní vlastnosti verifikovaného návrhu bez výrazného a často nákladného zapojení lidí v rámci verifikačního procesu. Tato práce se snaží řešit problém s automatizací verifikačního procesu jejím zaměřením na verifikační techniky, ve kterých je záměrně kladen menší důraz na jejich přesnost a obecnost, za cenu dosažení plné automatizace (např. vyloučením potřeby ručně vytvářet modely prostředí). Dále se práce také zaměřuje na efektivitu navrhovaných technik a jejich schopnost poskytovat nepřetržitou zpětnou vazbu o verifikačním procesu (např. v podobě podání informace o aktuálním stavu pokrytí). Zvláštní pozornost je pak věnována vývoji formálních metod ověřujících ekvivalenci návrhů mikroprocesorů na různých úrovních abstrakce. Tyto návrhy se mohou lišit ve způsobu, jakým jsou vnitřně zpracovány programové instrukce, nicméně z vnějšího pohledu (daného např. obsahem registrů viditelných z pozice programátora) musí být jejich chování při provádění stejného vstupního programu shodné. Kromě těchto témat se práce také zabývá problematikou návrhu metod pro verifikaci správnosti mechanismů zabraňujících výskytu datových a řídících hazardů v rámci linky zřetězeného zpracování instrukcí. Veškeré metody popsané v této práci byly implementovány ve formě několika nástrojů. Aplikací těchto nástrojů pro verifikaci návrhů netriviálních procesorů bylo dosaženo slibných experimentálních výsledků.