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)證之間差距方案介紹 - 全文

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(jìng)爭(zhēng)激烈的細(xì)分市場(chǎng)趨勢(shì)。由于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)應(yīng)用等新市場(chǎng)的不斷涌現(xiàn)，使得軟件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò) （SDN） 架構(gòu)得以大量采用。圖 1 繪制了 SDN 市場(chǎng)趨勢(shì)的年收入，預(yù)計(jì)在未來兩年將增長(zhǎng) 135%。

圖 1.由于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)應(yīng)用等新市場(chǎng)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(chǎng)中的設(shè)計(jì)規(guī)模增長(zhǎng)。

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(shì)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(cè)試所有端口配置。

2.測(cè)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(píng)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(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 模塊和子系統(tǒng)模塊級(jí)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(jí)的競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)，只有硬件驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證引擎可以應(yīng)對(duì)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(chǎng)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。現(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(cè)的編譯和調(diào)用時(shí)間。它可以通過對(duì)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(cè)試、低功耗驗(yàn)證、功耗估計(jì)、性能特征提取以及可測(cè)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(duì)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(huì)增加設(shè)置復(fù)雜性，提高功耗，且會(huì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)我們來說毫無價(jià)值，因此我們對(duì)所有的仿真均采用完全虛擬的方法?！?/p>

但是，虛擬模式需要?jiǎng)?chuàng)建虛擬測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)試時(shí)，其有效性會(huì)受到影響。不過，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)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(cè)試儀。再次引用 Guy Hutchison 的話：“當(dāng)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中測(cè)試時(shí)，我們會(huì)采用 IXIA 或 Spirent 流量生成器進(jìn)行測(cè)試?！?/p>

在這種場(chǎng)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(cè)試儀進(jìn)行的后端測(cè)試之間的差距。圖 4 對(duì)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(cè)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(cè)試需求范圍，從性能到功能、再到安全和一致性測(cè)試，包括物理和虛擬測(cè)試儀。