演算法密集系統的驗證，是一個耗時且昂貴的過程。許多研究結果顯示，多數嵌入式系統的缺陷和漏洞主要肇因在規格(Specification)階段，但往往沒被檢測出來，直到後期開發階段才出現；這些缺陷是開發專案延遲的主要病因，而且為工程成本的耗費「貢獻」最多。
在競爭異常激烈的智慧型無線裝置如手機及平板裝置等市場，更無法容許絲毫的產品延後上市，這對消費者評價及公司股價而言，都將帶來嚴重後果。也因此每當新產品即將問世，開發設計部門都承受著龐大壓力，從近來一線手機大廠設計主管相繼請辭即可見端倪。
不過上述情況是可以改觀的，現在很多演算法密集系統的開發者，已經知道有工具可協助他們在控制之下進行驗證。工程師們可以使用相同的工具來建立系統模型，同時又能在整個開發過程中提早發現問題。如此不僅可以減少驗證時間，又能提高其設計性能。
本篇文章將介紹三個實際可行的方法來進行早期驗證，使上述改善成為可能。
在規格訂定階段 確保IP演算法驗證正確
首先來看，為什麼目前的矽智財(IP)演算法驗證過程效率低且容易出錯。IP演算法可以區分通訊、聲音、動態影片、影像和導航功能。和現成既有的IP組件不同的是，IP演算法可以說是一個公司的「秘密武器」，本質上是為特定應用而開發的，因此須要不同的方法來驗證。
在一個典型的工作流程中，設計開始於演算法的開發者，他們將演算法做成規格文件，再將設計交付給硬體和軟體團隊，進行下階段開發設計(圖1)。
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| 圖1 在典型的工作流程中，演算法開發者將演算法做成靜態規格文件，再將設計交付給硬體和軟體團隊進行下階段開發設計。 |
通常每個小組會有自己的測試程序，以確定該設計實現後的功能是否正確。這些測試程序往往以其特設的方式架構，主要仰賴規格工程師的解釋，這部分會產生一個問題，因為硬體和軟體工程師往往缺乏與規格應用領域相關的知識或工具，來正確地解釋和執行規格；反之亦然，演算法開發人員也可能缺乏相關的工具和專業，以確保他們已經界定出「真實世界」的要求，所以往往在開發後期，才發現演算法無法如預期，在所設定的目標環境中運作。
導致IP演算法驗證效率不彰的原因，還包括軟體、數位和射頻/類比(RF/Analogue)等硬體元件，在開發時都各自使用獨立的工具和工作流程，這會抑制跨領域的系統行為驗證，而導致意想不到的軟硬體交互作用；其結果是，直到工作流程結束才進行系統驗證，而在系統整合階段的設計變更，往往是最困難和最昂貴的。
因為大多數的錯誤是在規格階段就已產生，傳統的硬體、軟體和電子系統層級(ESL)工具解決不了這些問題。傳統的工具假定設計需求(Requirements)都已經充分而準確的納入規格裡，所以驗證問題必須在設計流程的一開始就加以解決。這可以透過將演算法和行為建模，以及與下游的工作流程加以連結來進行。
模型化基礎設計提供早期驗證
模型化基礎設計(Model-Based Design)提供了一個更好的方法，它提供了一套演算法設計、系統模擬、原型化，以及嚴謹的分析工具。使用這些工具，演算法和測試可以設計為行為系統模型的一部分，把這系統模型當成是一個可執行的規格，設計團隊能以它做為設計參考(Design Reference)和測試平台(Test Bench)。這種方法提供所有的設計團隊，包括演算法、系統架構，以及各種元件的開發團隊，對於設計需求有一個共享的、明確的了解(圖2)。
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| 圖2 模型化基礎設計工作流程示意圖 |
使用模型化基礎設計驗證系統和元件的方式，具有以下幾個優點：
這些早期驗證功能，使工程師們在規格階段能即早發現並糾正設計缺陷，這解決了造成產品延遲上市的一大黑洞(圖3)。據研究指出，上述方式可以減少產品開發時間和一半的成本，也能帶來卓越的產品設計。
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| 圖3 模型化基礎設計工具，有助開發人員提早在規格訂定階段即可發現設計問題。 |
測試平台重覆使用 模型化基礎設計加速工作流程
模型化基礎設計的起步出奇簡單。首先，演算法設計和實現團隊可以利用手邊現有工具，讓現有的測試程序自動化。從演算法設計的角度來看，這種自動化改變思維，遠多於工作量的變化，因為演算法設計師原先就已經開發出測試平台，以檢查自己的工作，只不過在傳統的設計流程中，這些測試平台只是在演算法設計小組內使用；但是，透過模型化基礎設計的流程，這些測試平台將可以被重覆使用，而不會發生在設計實現時，因團隊的切換而遺失。
該重覆使用的過程，可以透過演算法和系統建模工具內的自動化介面來進行，能與許多被廣泛使用的硬體模擬器和開發板進行協同模擬(Co-Simulation)。此協同模擬可代替人工撰寫，以及以Script程式為基礎的技術，否則這些技術便須要驗證C程式碼、硬體描述語言(HDL)和類比電路的實現結果，以符合系統層級的各種可能(Metrics)。
測試平台的重覆使用，可顯著地減少驗證工作，而且能讓每個團隊更有效地利用現有的工具和工作流程。
多領域建模整合多項模擬資訊
另一個傳統設計流程的問題是，軟體、數位和類比硬體團隊各自使用不同的工具和工作流程，這些不同的工具無法進行跨領域設計和驗證，因而留下一些暗藏的錯誤，直到系統整合階段才被發現。
針對這個問題，可以透過把驗證提升至更高設計流程來解決。模型化基礎設計支援這種早期驗證方法，透過「虛擬整合」，將模擬演算法、軟體、數位硬體和類比整合在一個環境中(圖4)。這種多領域建模方法可讓設計者在設計早期評估設計權衡、各組件可能產生的交互作用，以及系統層級的各種可能。
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| 圖4 模型化設計工作可提供豐富的參考資料庫。 |
藉由多領域建模和模擬，能把數位元件離散時間(Discrete-Time)建模和類比元件連續時間建模匯集在一起；它也可以將時序(Timing)和控制邏輯、有限狀態機(Finite State Machines)、事件導向模擬(Event-Driven Simulation)和定點模擬(Fixed-Point Simulation)整合。設計者可以從較抽象的演算法模型來捕捉行為和驗證的需求，之後隨著工作進展，直到達成時序和位元真(Bit-True)準確時再闡述模型。
通過使用模型的虛擬整合，工程師們可以看到元件的設計決策如何影響整個系統的行為，而不必成為不同領域的專家。因此，工程師可以更快速地找到滿足或超過設計需求的解決方案，並能解決一般未能發現，直到後期在系統整合階段才出現的問題。
這種方法為快速變動的市場，諸如無線通訊市場提供立竿見影的好處。無線系統設計者關心的是不只是基頻演算法，也包含而且射頻鏈(RF Chain)、接收器同步，與更高層(Higher Layer)的通訊協定堆疊(Stack)，如網路延遲(Network Latency)和吞吐量(Throughput)等整合。
舉例來說，一個常見的挑戰是使用較低功率的功率放大器(PA)，來降低基地台的成本和功耗。這些功率放大器須要採用數位預失真(Digital Predistortion, DPD)，以及可補償設備非線性失真(Nonlinearities)的數位訊號處理(DSP)技術。多領域的建模可以讓DSP工程師，藉由使用相關的射頻減損(RF Impairments)模型，去驗證這些演算法是否有作用，以實現更有效率的功率放大器。
快速原型化大幅縮短測試週期
驗證IP演算法的第三個挑戰是，演算法無法如預期在目標環境中作用。在傳統的系統工作流程中，演算法的問題在設計流程結束前不容易被發現，這會造成整個設計出現大量的重覆工作，顯然不是理想狀況。
藉由模型化基礎設計，演算法開發和系統模擬都使用相同的工具，也能雛形化設計，將之實現在處理器和現場可編程閘陣列(FPGA)上，毋須進行低階的程式編撰。這種早期驗證技術，使設計人員能夠迅速證明新思維的可行性，以及分析其在現實條件下的效能。
透過快速原型化(Rapid Prototyping)，以往須要花費數週的設計測試週期，現在可以在不到一天的時間內完成，此功能對於須要快速、徹底驗證一些新想法，及未經測試設計的工程師而言，特別具有價值。
早期驗證顯著降低開發成本
許多通訊、電子和半導體的領導廠商已採用模型化基礎設計進行早期驗證，憑藉開發成本減少而獲得競爭優勢(表1)。獨立研究顯示，公司採用此種方法可以降低一半的開發成本，這些結果是在現存設計介面到HDL模擬器之前估量的，由於導入新的作法，客戶能獲得更好的成果。例如，根據一間國際通訊和資訊技術公司的報告指出，其功能驗證的時間更減少了85%，大幅提升開發效率。
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| 表1 使用模型化基礎設計前後的設計成本對照 |
或許更重要的是，如何創造更好的產品設計、發展更強大的系統模型、更容易地開發衍生設計，以及能夠快速適應市場新的規格需求。採取早期驗證技術的公司，也改善了其團隊之間的溝通與協同作業；除了降低他們的測試和驗證成本之外，其快速開發能力也加強了新產品推出的創新能力。
(本文作者為MathWorks訊號處理應用資深策略長)