填補(bǔ)網(wǎng)絡(luò) SoC 設(shè)計(jì)前端與后端驗(yàn)證的差距

消除復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) SoC 開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)不再是遙遠(yuǎn)的目標(biāo);如今，所有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都可以實(shí)現(xiàn)。

最近，筆者一直在寫關(guān)于在芯片流片成功之前使用硬件加速仿真來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)計(jì)的益處的系列文章。在本專欄中，將介紹一種可填補(bǔ)相同網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的前端與后端驗(yàn)證之間差距的新方法。

在開始詳細(xì)介紹前，讓我們先看下這一競爭激烈的細(xì)分市場趨勢。由于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心和移動應(yīng)用等新市場的不斷涌現(xiàn)，使得軟件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò) (SDN) 架構(gòu)得以大量采用。圖 1 繪制了 SDN 市場趨勢的年收入，預(yù)計(jì)在未來兩年將增長 135%。

圖 1.由于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心和移動應(yīng)用等新市場的出現(xiàn)，SDN 的采用持續(xù)高漲(信息來源：Lauro Rizzatti)

SDN 轉(zhuǎn)而也大幅提高了設(shè)計(jì)復(fù)雜性、擴(kuò)大了設(shè)計(jì)規(guī)模以及增加了端口數(shù)量。圖 2 繪制了部分關(guān)鍵細(xì)分市場中的設(shè)計(jì)規(guī)模增長。

圖 2.復(fù)雜性和門數(shù)量已隨著新 SDN 應(yīng)用而增加(信息來源：Lauro Rizzatti)

開發(fā)這些巨型 SoC 的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)早已不堪重負(fù)，而這種勢不可擋的設(shè)計(jì)規(guī)模的劇增更為其帶來諸多挑戰(zhàn)。按重要性遞減的順序，這些挑戰(zhàn)包括：

1.測試所有端口配置。

2.測量并符合性能和帶寬預(yù)期。

3.演示設(shè)計(jì)支持各種規(guī)格的所有以太網(wǎng) OSI 層協(xié)議

4.調(diào)試在硬件仿真中找出的硬件問題和實(shí)驗(yàn)室中的后端問題。

5.確保設(shè)計(jì)按預(yù)期通過軟件重新配置/執(zhí)行。

6.提供編譯、下載和運(yùn)行的快速周轉(zhuǎn)時(shí)間。

7.最大程度地降低部署驗(yàn)證環(huán)境的成本/時(shí)間。

8.評估功耗并將其降至最低。

9.減小芯片的封裝。

這些挑戰(zhàn)已無法通過傳統(tǒng)軟件仿真工具或者形式驗(yàn)證工具解決。這并非意味著這些工具已經(jīng)變得毫無用處。恰恰相反，它們是驗(yàn)證工具箱中的基本工具，但其部署只限于知識產(chǎn)權(quán) (IP) 模塊和子系統(tǒng)模塊級別的驗(yàn)證范圍內(nèi)，這在現(xiàn)代的復(fù)雜 SoC 設(shè)計(jì)早期開發(fā)周期中是必不可少的，包括網(wǎng)絡(luò)芯片。

在十億門級的競爭舞臺，只有硬件驅(qū)動的驗(yàn)證引擎可以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)任務(wù)，符合緊湊的時(shí)間表，在高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)市場中，避免芯片發(fā)布延期所帶來的潛在收益損失。

筆者之前的文章已多次提到過，在基于硬件的驗(yàn)證引擎中，硬件加速仿真已成為前端驗(yàn)證的最佳工具?，F(xiàn)代硬件加速器擁有近乎無限的容量，可仿真最大型的設(shè)計(jì)，并且無需儀表/編譯即可提供整體設(shè)計(jì)可見性和訪問/控制，同時(shí)還支持高吞吐量以及快速、可預(yù)測的編譯和調(diào)用時(shí)間。它可以通過對資源的最優(yōu)化利用來容納多個(gè)并發(fā)用戶。它能以多個(gè)操作模式進(jìn)行部署，從而執(zhí)行多種驗(yàn)證任務(wù)，包括內(nèi)電路仿真 (ICE) 和虛擬測試、低功耗驗(yàn)證、功耗估計(jì)、性能特征提取以及可測試性設(shè)計(jì) (DFT)。

當(dāng)使用多個(gè)端口驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò) SoC 設(shè)計(jì)時(shí) -- 比如 64 或更多 -- ICE 價(jià)值定位相比前十年已顯著降低。ICE 環(huán)境需用速度適配器這樣的外部硬件，作為快速真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量(數(shù)百兆赫)和相對低速的硬件加速仿真設(shè)計(jì)(一兆赫或幾兆赫)的接口。隨即會增加設(shè)置復(fù)雜性，提高功耗，且會降低可靠性。如此一來，設(shè)置的重新配置變得繁瑣，并且部署起來很慢，把加速器的使用權(quán)限制于本地安裝的單個(gè)用戶，因而排除了遠(yuǎn)程訪問。更糟的是，它讓設(shè)計(jì)調(diào)試的再現(xiàn)性和重復(fù)性變得不確定，導(dǎo)致調(diào)試計(jì)劃難以執(zhí)行。

相反，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在從 ICE 設(shè)置中遷移到虛擬測試環(huán)境，從而消除任一硬件 -- 乃至 -- 所有硬件的依賴性，包括噪聲、功耗、電纜、可靠性和相關(guān)成本。在實(shí)際硬件可用之前，可以通過使用軟件和可綜合的硬件模型的組合創(chuàng)建虛擬器件，以便通過該軟件輕松進(jìn)行重新配置。它們以硬件加速仿真速度運(yùn)行，支持多個(gè)用戶和多個(gè)項(xiàng)目，可遠(yuǎn)程訪問，并且能在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行部署。

DAC 2016 專家組的 Guy Hutchison(Cavium 的助理副總裁，也是一名硬件工程師)說道：“對于我們的設(shè)計(jì)，我們僅采用虛擬技術(shù)。部分原因在于我們的設(shè)計(jì)本質(zhì) -- 對我們而言，并沒有真正具有代表性的、能達(dá)到 100 千兆流量的目標(biāo)。內(nèi)電路仿真器方法對我們來說毫無價(jià)值，因此我們對所有的仿真均采用完全虛擬的方法。”

但是，虛擬模式需要創(chuàng)建虛擬測試環(huán)境，這是一項(xiàng)非凡的任務(wù)。就這方面而言，Mentor Graphics 公司已走在前列，開發(fā)了全面的復(fù)雜虛擬環(huán)境 VirtuaLAB，可以支持應(yīng)用程序特定 SoC 設(shè)計(jì)的前端測試。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的情況下，VirtuaLAB 包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包生成器和監(jiān)視器 (EPGM)，可生成、傳輸并監(jiān)控被測設(shè)計(jì) (DUT) 的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。它能夠配置 25GMII、50GMII、200GMII 和 400GMII。

每個(gè) VirtuaLAB 支持多達(dá) 32 個(gè)端口。可以將多個(gè) VirtuaLAB 系統(tǒng)進(jìn)行組合，從而使得端口數(shù)擴(kuò)展至 1,000 個(gè)以上。圖 3 就測試了 128 端口以太網(wǎng)交換機(jī)，比較了 ICE 設(shè)置和等效的 VirtuaLAB。

圖 3.比較驗(yàn)證 128 端口以太網(wǎng)交換機(jī)的 ICE 設(shè)置(頂部)和等效虛擬設(shè)置(底部)，說明了 ICE 的復(fù)雜設(shè)置，以及為何對于遠(yuǎn)程訪問不可行(信息來源：Mentor Graphics)。

前端與后端驗(yàn)證

盡管 VirtuaLAB 的前端驗(yàn)證功能強(qiáng)大，但在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用到工程樣品的后端測試時(shí)，其有效性會受到影響。不過，在實(shí)驗(yàn)室中測試網(wǎng)絡(luò)工程樣品的方法是通過使用專用的硬件網(wǎng)絡(luò)測試儀。再次引用 Guy Hutchison 的話：“當(dāng)我們在實(shí)驗(yàn)室中測試時(shí)，我們會采用 IXIA 或 Spirent 流量生成器進(jìn)行測試。”

在這種場景下，驗(yàn)證環(huán)境有兩種差距。首先是軟件仿真與硬件加速仿真之間的差距。第二個(gè)差距是在設(shè)計(jì)中心進(jìn)行的基于硬件加速仿真和 VirtuaLAB 的前端驗(yàn)證，與在實(shí)驗(yàn)室中由專業(yè)測試儀進(jìn)行的后端測試之間的差距。圖 4 對這些差距進(jìn)行了說明。

圖 4. 在驗(yàn)證環(huán)境中存在從功能仿真到實(shí)驗(yàn)室測試之間的差距(信息來源：Mentor Graphics IXIA)

填補(bǔ)差距

Mentor Graphics 再次率先發(fā)起一項(xiàng)舉措，以填補(bǔ)硬件加速仿真環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室之間的差距。它與全球領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用綜合解決方案提供商 IXIA 達(dá)成協(xié)議。IXIA 的產(chǎn)品覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)測試需求范圍，從性能到功能、再到安全和一致性測試，包括物理和虛擬測試儀。

物理測試儀用于：

·驗(yàn)證物理 DUT 的高性能和可擴(kuò)展性。

·測試高速以太網(wǎng)接口的數(shù)據(jù)平面超高可擴(kuò)展性。

·以微秒級精度進(jìn)行可靠測試和測量所有數(shù)據(jù)速率。

·驗(yàn)證光學(xué)元件和線纜的高速互連系統(tǒng)。

虛擬測試儀用于：

·快速實(shí)施測試環(huán)境。

·管理訂閱和靈活浮動許可證。

·支持多用戶和多站點(diǎn)。

·進(jìn)行大規(guī)模的功能測試。

·在芯片設(shè)計(jì)周期的早期進(jìn)行測試。

·一個(gè)或多個(gè)管理器件上的載荷平衡驗(yàn)證。

·驗(yàn)證云/數(shù)據(jù)中心的軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV) 和應(yīng)用。

·認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)安全性、拒絕服務(wù)和入侵檢測。

Mentor 和 IXIA 不斷擴(kuò)大 Veloce 硬件加速仿真平臺應(yīng)用的產(chǎn)品系列，共同開發(fā)了作為硬件加速仿真測試前端的 IXIA IxNetwork 虛擬版本 (VE) 測試產(chǎn)品系列和作為后端的 Mentor 的全新 Veloce 虛擬網(wǎng)絡(luò) (VN) 應(yīng)用集成(圖 5)。

圖 5.表示 Mentor/IXIA 集成網(wǎng)絡(luò)解決方案的方框圖(信息來源：Mentor Graphics IXIA)

IxVerify 前端乃基于 IXIA 的 IxNetwork 測試產(chǎn)品，采用相同的圖形界面，并啟用了測試腳本和功能復(fù)用(也支持 IxExplorer 用于舊版安裝)。在其第一版中，該系統(tǒng)支持這些客戶端應(yīng)用當(dāng)前支持的所有無狀態(tài)以太網(wǎng)流量，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào) 1G、10G、25G、40G、50G、100G、Tx/Rx 帶寬分析、UDF/UDS、流量整形、延時(shí)計(jì)算、完整的圖形界面前端和 IXIA 的所有自動化特性。實(shí)際上，客戶體驗(yàn)與 IXIA 客戶現(xiàn)在所享受的并無區(qū)別。

VN App可用作后端，并且包括在工作站上運(yùn)行的 Veloce 流程控制機(jī)制、以及 Veloce 硬件加速器內(nèi)部映射的事務(wù)處理器，形成了從 IXIA 測試平臺到硬件加速仿真的高性能優(yōu)化數(shù)據(jù)平面流。就提高效率和改進(jìn)調(diào)試而言，該整體解決方案填補(bǔ)了軟件仿真、硬件加速仿真和實(shí)驗(yàn)室之間的差距。

VN 應(yīng)用程序拓?fù)?/p>

模塊化和高度可擴(kuò)展的虛擬系統(tǒng)反映了完全虛擬化的物理 IXIA 測試儀，因此可以使用 Mentor 的軟件仿真工具進(jìn)行快速設(shè)計(jì)調(diào)試，并為整個(gè) SoC 驗(yàn)證提供相同的 Veloce ICE 性能。圖 6 是 Mentor/IXIA 集成解決方案的框圖。

圖 6：在本配置中，IxVerify 用作前端，而 VN 應(yīng)用程序用作后端(信息來源：Mentor Graphics IXIA)

每個(gè)線卡都是在 Qemu(通用和開源機(jī)器硬件加速器和虛擬器)/內(nèi)核虛擬機(jī) (KVM) 實(shí)用工具中運(yùn)行的虛擬機(jī) (VM)。它采用了最先進(jìn)的 Hyper Visor 技術(shù)，搭配 Testbench Express (TBX) 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)緊密集成的虛擬平臺解決方案。線卡虛擬機(jī) (VM) 通過在位于公司網(wǎng)絡(luò)中任何位置的任何用戶 Windows 工作站上運(yùn)行的 IxExplorer 或 IxVerify 客戶端應(yīng)用程序與公司網(wǎng)絡(luò)上的底板 VM 進(jìn)行通信。

OSI 參考模型

圖 7 比較了 EPGM VirtuaLAB 和 VN App與開放系統(tǒng)互連 (OSI) 參考模型。

圖 7.ViruaLAB 中支持的 OSI 層與 VN App的比較(信息來源：Mentor Graphics IXIA)

通過 IXIA 和 Mentor Graphics 實(shí)現(xiàn)加速的驗(yàn)證流程

Mentor Graphics 和 IXIA 合作開發(fā)產(chǎn)品，使得網(wǎng)絡(luò)客戶能夠?qū)?IXIA 虛擬環(huán)境無縫集成到基于硬件加速仿真的驗(yàn)證流程中，因此為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境帶來強(qiáng)大的硬件加速仿真優(yōu)勢。這樣，客戶便可復(fù)用數(shù)據(jù)流生成腳本，進(jìn)而提高效率、完善調(diào)試，縮短上市時(shí)間，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能減少復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖 8.Mentor/IXIA 集成消除了從軟件仿真到硬件加速仿真再到實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證環(huán)境中的所有差距(信息來源：Mentor Graphics IXIA)

通過使用該系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能在軟件仿真、硬件加速仿真和實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行相同的測試。它支持高性能，并可為前端驗(yàn)證提供調(diào)試優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)室中未發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤可在硬件加速仿真中通過與實(shí)驗(yàn)室相同的測試環(huán)境進(jìn)行追蹤。其中包括 PCIe、以太網(wǎng)和可能位于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上的其他 VirtuaLAB 解決方案。測試整個(gè)產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，包括硬件和軟件，可在硬件加速仿真中立即再現(xiàn)，但若不使用由 IXIA 和 Mentor Graphics 共同開發(fā)的這些最先進(jìn)的虛擬化技術(shù)，這種硬件加速仿真則可能需要數(shù)周才能復(fù)制。

最終，通過使用后端軟件開發(fā)工具包 (SDK) 和測試環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)真正的“提前”前端驗(yàn)證功能。消除復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) SoC 開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)不再是遙遠(yuǎn)的目標(biāo);如今，所有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都可以實(shí)現(xiàn)。