Formale Verifikationsmethodiken für nichtlineare analoge Schaltungen

The objective of this thesis is to develop new methodologies for formal verification of nonlinear analog circuits. Therefore, new approaches to discrete modeling of analog circuits, specification of analog circuit properties and formal verification algorithms are introduced. Formal approaches to verification of analog circuits are not yet introduced into industrial design flows and still subject to research. Formal verification proves specification conformance for all possible input conditions and all possible internal states of a circuit. Automatically proving that a model of the circuit satisfies a declarative machine-readable property specification is referred to as model checking. Equivalence checking proves the equivalence of two circuit implementations. Starting from the state of the art in modeling analog circuits for simulation-based verification, discrete modeling of analog circuits for state space-based formal verification methodologies is motivated in this thesis. In order to improve the discrete modeling of analog circuits, a new trajectory-directed partitioning algorithm was developed in the scope of this thesis. This new approach determines the partitioning of the state space parallel or orthogonal to the trajectories of the state space dynamics. Therewith, a high accuracy of the successor relation is achieved in combination with a lower number of states necessary for a discrete model of equal accuracy compared to the state-of-the-art hyperbox-approach. The mapping of the partitioning to a discrete analog transition structure (DATS) enables the application of formal verification algorithms. By analyzing digital specification concepts and the existing approaches to analog property specification, the requirements for a new specification language for analog properties have been discussed in this thesis. On the one hand, it shall meet the requirements for formal specification of verification approaches applied to DATS models. On the other hand, the language syntax shall be oriented on natural language phrases. By synthesis of these requirements, the analog specification language (ASL) was developed in the scope of this thesis. The verification algorithms for model checking, that were developed in combination with ASL for application to DATS models generated with the new trajectory-directed approach, offer a significant enhancement compared to the state of the art. In order to prepare a transition of signal-based to state space-based verification methodologies, an approach to transfer transient simulation results from non-formal test bench simulation flows into a partial state space representation in form of a DATS has been developed in the scope of this thesis. As has been demonstrated by examples, the same ASL specification that was developed for formal model checking on complete discrete models could be evaluated without modifications on transient simulation waveforms. An approach to counterexample generation for the formal ASL model checking methodology offers to generate transition sequences from a defined starting state to a specification-violating state for inspection in transient simulation environments. Based on this counterexample generation, a new formal verification methodology using complete state space-covering input stimuli was developed. By conducting a transient simulation with these complete state space-covering input stimuli, the circuit adopts every state and transition that were visited during stimulus generation. An alternative formal verification methodology is given by retransferring the transient simulation responses to a DATS model and by applying the ASL verification algorithms in combination with an ASL property specification. Moreover, the complete state space-covering input stimuli can be applied to develop a formal equivalence checking methodology. Therewith, the equivalence of two implementations can be proven for every inner state of both systems by comparing the transient simulation responses to the complete-coverage stimuli of both circuits. In order to visually inspect the results of the newly introduced verification methodologies, an approach to dynamic state space visualization using multi-parallel particle simulation was developed. Due to the particles being randomly distributed over the complete state space and moving corresponding to the state space dynamics, another perspective to the system's behavior is provided that covers the state space and hence offers formal results. The prototypic implementations of the formal verification methodologies developed in the scope of this thesis have been applied to several example circuits. The acquired results for the new approaches to discrete modeling, specification and verification algorithms all demonstrate the capability of the new verification methodologies to be applied to complex circuit blocks and their properties.Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung neuer Methodiken zur formalen Verifikation nichtlinearer analoger elektronischer Schaltungen. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit entstandene neue Ansätze in den Bereichen verifikationsgerechte diskrete Modellierung analoger Schaltungen, Spezifikation analoger Schaltungseigenschaften und formale Verifikationsalgorithmen vorgestellt. Ausgehend vom Stand der Technik der Modellierung analoger Schaltungen für die simulationsbasierte Verifikation wird im Rahmen dieser Arbeit die diskrete Modellierung analoger Schaltungen für zustandsraumbasierte formale Verifikationsverfahren betrachtet. Dazu wurde ein neuer Ansatz zur diskreten Modellierung entwickelt, der die Aufteilungsstruktur anhand der Trajektorien der Vektorfelddynamik bestimmt. So wird eine hohe Genauigkeit der Nachfolgerrelation ermöglicht, woraus eine niedrigere Zahl an Zuständen für ein diskretes Modell gleicher Genauigkeit im Vergleich mit dem bisherigen Stand der Technik folgt. Die Abbildung der Trajektorien-gesteuerten Partitionierung auf eine diskrete analoge Transitionsstruktur (DATS) erlaubt die Anwendung von formalen Verifikationsalgorithmen. Die formale Spezifikation von Eigenschaften in ersten Ansätzen zum Model Checking analoger Schaltungen hat sich stark an den bestehenden temporallogischen Verfahren aus dem Bereich digitaler Hardware orientiert. Ausgehend von einer Analyse digitaler Spezifikationskonzepte und der bestehenden Ansätze für analoge Eigenschaften wurden Anforderungen an eine neue Spezifikationssprache in dieser Arbeit abgeleitet. Die aus diesen Anforderungen im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analoge Spezifikationssprache "Analog Specification Language" (ASL) basiert auf einer natürlichsprachlichen Kapselung temporallogischer Operationen, die mit erweiterten Algorithmen zur Transitionspfadbestimmung, Durchführung von Berechnungen auf Zustandsparametern und Oszillationsbestimmung eine hohe Ausdrucksstärke analoger Eigenschaften mit einer anwenderfreundlichen Syntax kombinieren konnte. Die zusammen mit ASL entwickelten Model Checking-Verifikationsalgorithmen zur Auswertung von ASL-Spezifikationen auf einem mit dem Trajektorien-gesteuerten Diskretisierungsverfahren erzeugten DATS-Modell bilden eine wesentliche Erweiterung zum Stand der Technik. Um einen Übergang der Verifikation von signalbasierten zu zustandsraumbasierten Methodiken zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Ansatz entwickelt, der die Übertragung von transienten Simulationsergebnissen aus nicht-formalen Testbench-Simulationsumgebungen in eine partielle DATS-Zustandsraumdarstellung ermöglicht. Damit kann, wie anhand von Beispielen gezeigt werden konnte, die gleiche ASL-Spezifikation für Eigenschaften eines vollständigen diskreten Modells ohne Modifikation auch auf Simulationsergebnissen ausgewertet werden. Ein für das formale ASL-basierte Model Checking entwickelter Ansatz zur Erzeugung von Gegenbeispielen für als spezifikationsverletzend identifizierte Zustandsraumgebiete erlaubt es, Transitionsfolgen von einem definierten Startzustand zu einem spezifikationsverletzenden Zustand zu ermitteln. Auf Basis dieses Gegenbeispiel-Verfahrens wurde eine neue formale Eigenschaftsverifikationsmethodik mittels vollständig den Zustandsraum einer Schaltung abdeckenden Eingangsstimuli entwickelt. Die vollständig den Zustandsraum abdeckenden Eingangsstimuli bieten noch eine weitere Anwendungsmöglichkeit im Bereich des Äquivalenzvergleichs. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methodik zum formalen Äquivalenzvergleich auf Basis der vollständig den Zustandsraum abdeckenden Eingangsstimuli ersetzt die anwenderdefinierten Eingangsstimuli durch die vollständig den Zustandsraum abdeckenden. So kann die Äquivalenz für jeden möglichen Zustand der zu vergleichenden Implementierungen anhand eines automatisierten Vergleichs der Simulationsergebnisse beider Implementierungen gezeigt werden. Um die Ergebnisse der neu eingeführten formalen Verifikationsmethodiken visuell zu untersuchen wurde ein Verfahren entwickelt, das den Zustandsraum und seine Dynamik mittels eines Partikel-Simulationsansatzes visualisiert. Da die Partikel über den gesamten Zustandsraum randomisiert verteilt werden und sich dann gemäß der Vektorfelddynamik fortbewegen, kann auch hier ein Einblick in das Systemverhalten gewonnen werden, der eine weitestgehend vollständige und somit formale Repräsentation des Zustandsraums bietet. Die prototypische Implementierung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten formalen Verifikationsmethodiken wurde auf zahlreiche Beispielschaltungen angewendet. Die Ergebnisse für die neuen Ansätze zur diskreten Modellierung, zur Spezifikation und zu Verifikationsalgorithmen analoger Schaltungen zeigen, dass die aus diesen Ansätzen erzeugten Verifikationsmethodiken erfolgreich auf komplexe Zustandsraumstrukturen angewendet werden können

Linear Encodings of Bounded LTL Model Checking

We consider the problem of bounded model checking (BMC) for linear temporal logic (LTL). We present several efficient encodings that have size linear in the bound. Furthermore, we show how the encodings can be extended to LTL with past operators (PLTL). The generalised encoding is still of linear size, but cannot detect minimal length counterexamples. By using the virtual unrolling technique minimal length counterexamples can be captured, however, the size of the encoding is quadratic in the specification. We also extend virtual unrolling to Buchi automata, enabling them to accept minimal length counterexamples. Our BMC encodings can be made incremental in order to benefit from incremental SAT technology. With fairly small modifications the incremental encoding can be further enhanced with a termination check, allowing us to prove properties with BMC. Experiments clearly show that our new encodings improve performance of BMC considerably, particularly in the case of the incremental encoding, and that they are very competitive for finding bugs. An analysis of the liveness-to-safety transformation reveals many similarities to the BMC encodings in this paper. Using the liveness-to-safety translation with BDD-based invariant checking results in an efficient method to find shortest counterexamples that complements the BMC-based approach.Comment: Final version for Logical Methods in Computer Science CAV 2005 special issu

Doctor of Philosophy

dissertationThe increasing demand for smaller, more efficient circuits has created a need for both digital and analog designs to scale down. Digital technologies have been successful in meeting this challenge, but analog circuits have lagged behind due to smaller transistor sizes having a disproportionate negative affect. Since many applications require small, low-power analog circuits, the trend has been to take advantage of digital's ability to scale by replacing as much of the analog circuitry as possible with digital counterparts. The results are known as \emph{digitally-intensive analog/mixed-signal} (AMS) circuits. Though such circuits have helped the scaling problem, they have further complicated verification. This dissertation improves on techniques for AMS property specifications, as well as, develops sound, efficient extensions to formal AMS verification methods. With the \emph{language for analog/mixed-signal properties} (LAMP), one has a simple intuitive language for specifying AMS properties. LAMP provides a more procedural method for describing properties that is more straightforward than temporal logic-like languages. However, LAMP is still a nascent language and is limited in the types of properties it is capable of describing. This dissertation extends LAMP by adding statements to ignore transient periods and be able to reset the property check when the environment conditions change. After specifying a property, one needs to verify that the circuit satisfies the property. An efficient method for formally verifying AMS circuits is to use the restricted polyhedral class of \emph{zones}. Zones have simple operations for exploring the reachable state space, but they are only applicable to circuit models that utilize constant rates. To extend zones to more general models, this dissertation provides the theory and implementation needed to soundly handle models with ranges of rates. As a second improvement to the state representation, this dissertation describes how octagons can be adapted to model checking AMS circuit models. Though zones have efficient algorithms, it comes at a cost of over-approximating the reachable state space. Octagons have similarly efficient algorithms while adding additional flexibility to reduce the necessary over-approximations. Finally, the full methodology described in this dissertation is demonstrated on two examples. The first example is a switched capacitor integrator that has been studied in the context of transforming the original formal model to use only single rate assignments. Th property of not saturating is written in LAMP, the circuit is learned, and the property is checked against a faulty and correct circuit. In addition, it is shown that the zone extension, and its implementation with octagons, recovers all previous conclusions with the switched capacitor integrator without the need to translate the model. In particular, the method applies generally to all the models produced and does not require the soundness check needed by the translational approach to accept positive verification results. As a second example, the full tool flow is demonstrated on a digital C-element that is driven by a pair of RC networks, creating an AMS circuit. The RC networks are chosen so that the inputs to the C-element are ordered. LAMP is used to codify this behavior and it is verified that the input signals change in the correct order for the provided SPICE simulation traces