Evaluation and application of new Python-based frameworks for the verification of digital integrated circuits

Abstract

[ES] El proceso de verificación de circuitos integrados evita la propagación de errores desde la etapa de diseño hasta el proceso de fabricación y el producto final, evitando así un gasto baldío de tiempo y recursos económicos. Idealmente, el objetivo principal es validar el comportamiento de un circuito ante cualquier entrada posible, lo que requiere la aleatorización de estímulos y, a su vez, detallados modelos de referencia. Por lo tanto, el desarrollo de bancos de pruebas se convierte en una tarea compleja. En este contexto, los ingenieros de Robert Bosch en Dresden han considerado aplicar el uso de una nueva tecnología basada en Python, con el propósito de acelerar el proceso de verificación sin afectar la calidad y la validez de las pruebas. El presente trabajo aplica un nuevo paradigma en la industria de la verificación digital basado en el lenguaje de programación Python, contrastándolo con el enfoque ampliamente adoptado de SystemVerilog. El objetivo principal del desarrollo se centra en la librería "COroutine-based COsimulation Testbench" (cocotb), y su implementación de la Metodología de Verificación Universal (UVM), PyUVM. La intención final es proporcionar información exhaustiva sobre su funcionamiento y uso en entornos industriales, comentando las ventajas y limitaciones respecto a metodologías alternativas. El proyecto comienza con un análisis meticuloso del panorama actual de la verificación digital, el cual abarca un examen de las metodologías existentes y una evaluación de los desafíos que cada una de ellas presenta. Posteriormente, se realiza una exploración íntegra de las librerías cocotb y PyUVM, describiendo su mecanismo operativo subyacente y desarrollando en el manejo de ambas desde una perspectiva de usuario. Para demostrar su eficacia, estas librerías se emplean en tres escenarios de verificación distintos, entre los que destaca la verificación de un diseño digital perteneciente a un circuito integrado actualmente en desarrollo. La culminación del trabajo está marcada por un extenso resumen, en el que se presentan los resultados obtenidos y se comparan cuidadosamente con el enfoque convencional UVM/SystemVerilog. El segmento final evalúa críticamente la viabilidad y potencial integración generalizada de esta nueva tecnología en la industria contemporánea de la verificación digital.

[EN] The verification process for integrated circuits prevents the propagation of errors from the design stage to the manufacturing process and the final product, thus avoiding a futile spending of time and economic resources. Ideally, the main goal is to validate the behaviour of a circuit under any possible inputs, which requires elaborated stimuli randomization and intricate reference models. Hence, rendering the development of testbenches a complex task. In this context, engineers from Robert Bosch at Dresden have considered the use of a new Python-based technology, with the purpose of speeding up the verification process without affecting the quality and validity of the tests. This work applies a new Python paradigm to digital verification, contrasting it with the widely adopted SystemVerilog approach. The primary focus of this project centres on the "COroutine-based COsimulation TestBench" (cocotb) library and the Universal Verification Methodology (UVM) abstraction of it (PyUVM). The overarching goal is to provide comprehensive insights into their practical application in industrial settings, commenting on the advantages and limitations vis-à-vis alternative methodologies. The project starts with a meticulous analysis of the current landscape of digital verification, encompassing an examination of extant methodologies and an assessment of the challenges inherent in their implementation. Subsequently, an exhaustive exploration of both the cocotb and PyUVM libraries ensues, describing their underlying operational mechanism and untangling the expected usage patterns from the end-user perspective. To substantiate their efficacy, these libraries are deployed in three distinct application scenarios, notably including the verification of a digital design part of an integrated circuit currently in active development. The culmination of the present work is marked by an extensive summary, wherein the obtained results are presented and carefully benchmarked against the conventional UVM/SystemVerilog approaches. The concluding segment critically assesses the viability and potential wide integration of this Python framework within the contemporary digital verification industry.