System-on-Chip Design : Can it be Agile?

Abstract

Suunnittelumenetelmät ja elektronisen suunnittelun automaatiotyökalut (EDA) ovat kehittyneet vuosikymmenten aikana käsittelemään monimutkaisempia järjestelmäpiiritoteutuksia, mutta kehitysprosessi muistuttaa edelleen perinteistä vesiputousmallia, jossa suunnittelutoiminnot suoritetaan peräkkäin. Ketterät menetelmät ovat yleistyneet ohjelmistokehityksessä, mutta menestyksestä huolimatta ketteriä menetelmiä ei ole kehitetty tai sovellettu järjestelmäpiirikehitykseen laajasti.

Tämä väitöskirja käsittelee tätä aukkoa useista näkökulmista. Ensinnäkin, nykytila analysoitiin perusteellisesti laajan kirjallisuuskatsauksen ja kartoitustutkimuksen avulla. Tutkimuksen tulos on, että ketteriä ohjelmistokehityksen menetelmiä ei ole sovellettu järjestelmäpiirikehitykseen laajasti, eikä ole selvää yksimielisyyttä siitä, mitä ketterä kehitys tarkoittaa järjestelmäpiirikehitykselle. Sen sijaan tutkimus ehdottaa useita kehitysmenetelmiä kehityksen nopeuttamiseksi, ja nämä ehdotukset voidaan nähdä mahdollistajina kohti ketterää laitteistokehitystä.

Sovelsimme ja kehitimme edelleen ketterän laitteistokehityksen manifestia (Agile HW Manifesto), joka on peräisin Berkeleyn tutkimuksesta. Suuren järjestelmäpiirikehitysprojektimme perusteella, jossa suunnittelimme kolme järjestelmäpiiriä, päädyimme siihen, että tärkein johtamisen periaate on <i>ennustettava aikataulu ja muuttumaton kehitysrytmi</i>, jota tukee toteutukseen keskittyvää <i>rajapinta yli instanssin</i> periaate. Menetelmän toteutuskelpoisuus todistettiin saavuttamalla yksi siru vuodessa aikataulu järjestelmäpiireillemme.

Prosessin kvantifioimiseksi tehtiin mittauksia resursoinnista ja prosessin laatua arvioitiin virheiden läpimenon (Fault-Slip-Through, FST) menetelmällä. Tulokset osoittavat, että suuret järjestelmäpiirit akateemisessa mittakaavassa voidaan rakentaa vuoden sisällä 20 kehittäjän tiimillä, ja tarkemmin sanottuna tarvitaan noin 100 henkilötyökuukautta. FST:n käyttö järjestelmäpiirikehitykseen osoittaa, että sitä voidaan käyttää myös laitteistokehityksessä ohjelmistokehityksen lisäksi, ja meidän käyttötapauksessamme mittaukset osoittavat, että 17 henkilötyökuukautta olisi voitu säästää, jos virheet olisi havaittu kehitysvaiheessa, johon ne kuuluvat.

Design methodologies and Electronic Design Automation (EDA) tools have improved over the decades to handle more complex designs, but the development process still resembles a conventional waterfall process where design activities are executed in sequence. Agile methodologies have become commonplace in the software (SW) development, but despite the success, agile methodologies have not been developed or applied to SoC development to a large extent.

This thesis addresses this gap from multiple perspectives. First, state-of-the-art was analyzed thoroughly with an extensive literature review and mapping study. The outcome of the study is that Agile SW Development methodologies have not been applied to System-on-Chip (SoC) development in a large extent and there is no clear agreement what agile development means for the SoC development. Instead, the research suggests multiple development methodologies to accelerate the development, and these contributions can be seen as a enablers toward Agile HW Development.

We applied and developed further the Agile HW Manifesto which originates from the Berkeleys’s research. Based on our large SoC development project with three SoCs, we come in to conclusions that the most important management level principles is <i>Predictable schedule and fixed cadence</i> which is supported by implementation focused <i>Interface over instance principle</i>. The feasibility was proven by achieving one chip per year schedule for our SoCs.

To quantify the process, measurements were done on resourcing and the quality of the process was evaluated with the Fault-Slip-Through (FST) methodology. The results indicate that large SoCs in academic scale can be built within a year with a team of 20 developers and more precisely approximately 100 person months are needed. The use of FST showcases that it can also be used in HW context in addition to SW development and with our use-case, measurements indicate that 17 person months could have been saved if the bugs had been catch in the phase they belong to.