消除復雜網絡 SoC 開發(fā)風險不再是遙遠的目標;如今，所有設計團隊都可以實現(xiàn)。

最近，筆者一直在寫關于在芯片流片成功之前使用硬件加速仿真來驗證網絡片上系統(tǒng) (SoC) 設計的益處的系列文章。在本專欄中，將介紹一種可填補相同網絡設計中的前端與后端驗證之間差距的新方法。

在開始詳細介紹前，讓我們先看下這一競爭激烈的細分市場趨勢。由于云計算、大數(shù)據中心和移動應用等新市場的不斷涌現(xiàn)，使得軟件驅動的網絡 (SDN) 架構得以大量采用。圖 1 繪制了 SDN 市場趨勢的年收入，預計在未來兩年將增長 135%。

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

SDN 轉而也大幅提高了設計復雜性、擴大了設計規(guī)模以及增加了端口數(shù)量。圖 2 繪制了部分關鍵細分市場中的設計規(guī)模增長。

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

開發(fā)這些巨型 SoC 的設計團隊早已不堪重負，而這種勢不可擋的設計規(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期。

3.演示設計支持各種規(guī)格的所有以太網 OSI 層協(xié)議

4.調試在硬件仿真中找出的硬件問題和實驗室中的后端問題。

5.確保設計按預期通過軟件重新配置/執(zhí)行。

6.提供編譯、下載和運行的快速周轉時間。

7.最大程度地降低部署驗證環(huán)境的成本/時間。

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證工具解決。這并非意味著這些工具已經變得毫無用處。恰恰相反，它們是驗證工具箱中的基本工具，但其部署只限于知識產權 (IP) 模塊和子系統(tǒng)模塊級別的驗證范圍內，這在現(xiàn)代的復雜 SoC 設計早期開發(fā)周期中是必不可少的，包括網絡芯片。

在十億門級的競爭舞臺，只有硬件驅動的驗證引擎可以應對這些挑戰(zhàn)任務，符合緊湊的時間表，在高速發(fā)展的網絡市場中，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，在基于硬件的驗證引擎中，硬件加速仿真已成為前端驗證的最佳工具?，F(xiàn)代硬件加速器擁有近乎無限的容量，可仿真最大型的設計，并且無需儀表/編譯即可提供整體設計可見性和訪問/控制，同時還支持高吞吐量以及快速、可預測的編譯和調用時間。它可以通過對資源的最優(yōu)化利用來容納多個并發(fā)用戶。它能以多個操作模式進行部署，從而執(zhí)行多種驗證任務，包括內電路仿真 (ICE) 和虛擬測試、低功耗驗證、功耗估計、性能特征提取以及可測試性設計 (DFT)。

當使用多個端口驗證網絡 SoC 設計時 -- 比如 64 或更多 -- ICE 價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，作為快速真實的網絡流量(數(shù)百兆赫)和相對低速的硬件加速仿真設計(一兆赫或幾兆赫)的接口。隨即會增加設置復雜性，提高功耗，且會降低可靠性。如此一來，設置的重新配置變得繁瑣，并且部署起來很慢，把加速器的使用權限制于本地安裝的單個用戶，因而排除了遠程訪問。更糟的是，它讓設計調試的再現(xiàn)性和重復性變得不確定，導致調試計劃難以執(zhí)行。

相反，設計團隊正在從 ICE 設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、可靠性和相關成本。在實際硬件可用之前，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行重新配置。它們以硬件加速仿真速度運行，支持多個用戶和多個項目，可遠程訪問，并且能在數(shù)據中心進行部署。

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：“對于我們的設計，我們僅采用虛擬技術。部分原因在于我們的設計本質 -- 對我們而言，并沒有真正具有代表性的、能達到 100 千兆流量的目標。內電路仿真器方法對我們來說毫無價值，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，這是一項非凡的任務。就這方面而言，Mentor Graphics 公司已走在前列，開發(fā)了全面的復雜虛擬環(huán)境 VirtuaLAB，可以支持應用程序特定 SoC 設計的前端測試。在網絡設計的情況下，VirtuaLAB 包括以太網數(shù)據包生成器和監(jiān)視器 (EPGM)，可生成、傳輸并監(jiān)控被測設計 (DUT) 的以太網數(shù)據包。它能夠配置 25GMII、50GMII、200GMII 和 400GMII。

每個 VirtuaLAB 支持多達 32 個端口?？梢詫⒍鄠€ VirtuaLAB 系統(tǒng)進行組合，從而使得端口數(shù)擴展至 1,000 個以上。圖 3 就測試了 128 端口以太網交換機，比較了 ICE 設置和等效的 VirtuaLAB。

圖 3.比較驗證 128 端口以太網交換機的 ICE 設置(頂部)和等效虛擬設置(底部)，說明了 ICE 的復雜設置，以及為何對于遠程訪問不可行(信息來源：Mentor Graphics)。

前端與后端驗證

盡管 VirtuaLAB 的前端驗證功能強大，但在實驗室中應用到工程樣品的后端測試時，其有效性會受到影響。不過，在實驗室中測試網絡工程樣品的方法是通過使用專用的硬件網絡測試儀。再次引用 Guy Hutchison 的話：“當我們在實驗室中測試時，我們會采用 IXIA 或 Spirent 流量生成器進行測試。”

在這種場景下，驗證環(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。第二個差距是在設計中心進行的基于硬件加速仿真和 VirtuaLAB 的前端驗證，與在實驗室中由專業(yè)測試儀進行的后端測試之間的差距。圖 4 對這些差距進行了說明。

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

填補差距

Mentor Graphics 再次率先發(fā)起一項舉措，以填補硬件加速仿真環(huán)境和實驗室之間的差距。它與全球領先的網絡設備和網絡應用綜合解決方案提供商 IXIA 達成協(xié)議。IXIA 的產品覆蓋整個網絡測試需求范圍，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：

·驗證物理 DUT 的高性能和可擴展性。

·測試高速以太網接口的數(shù)據平面超高可擴展性。

·以微秒級精度進行可靠測試和測量所有數(shù)據速率。

·驗證光學元件和線纜的高速互連系統(tǒng)。

虛擬測試儀用于：

·快速實施測試環(huán)境。

·管理訂閱和靈活浮動許可證。

·支持多用戶和多站點。

·進行大規(guī)模的功能測試。

·在芯片設計周期的早期進行測試。

·一個或多個管理器件上的載荷平衡驗證。

·驗證云/數(shù)據中心的軟件定義網絡、網絡功能虛擬化 (NFV) 和應用。

·認證網絡安全性、拒絕服務和入侵檢測。

Mentor 和 IXIA 不斷擴大 Veloce 硬件加速仿真平臺應用的產品系列，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) 測試產品系列和作為后端的 Mentor 的全新 Veloce 虛擬網絡 (VN) 應用集成(圖 5)。

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

IxVerify 前端乃基于 IXIA 的 IxNetwork 測試產品，采用相同的圖形界面，并啟用了測試腳本和功能復用(也支持 IxExplorer 用于舊版安裝)。在其第一版中，該系統(tǒng)支持這些客戶端應用當前支持的所有無狀態(tài)以太網流量，重點強調 1G、10G、25G、40G、50G、100G、Tx/Rx 帶寬分析、UDF/UDS、流量整形、延時計算、完整的圖形界面前端和 IXIA 的所有自動化特性。實際上，客戶體驗與 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行的 Veloce 流程控制機制、以及 Veloce 硬件加速器內部映射的事務處理器，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)據平面流。就提高效率和改進調試而言，該整體解決方案填補了軟件仿真、硬件加速仿真和實驗室之間的差距。

VN 應用程序拓撲

模塊化和高度可擴展的虛擬系統(tǒng)反映了完全虛擬化的物理 IXIA 測試儀，因此可以使用 Mentor 的軟件仿真工具進行快速設計調試，并為整個 SoC 驗證提供相同的 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 應用程序用作后端(信息來源：Mentor Graphics IXIA)

每個線卡都是在 Qemu(通用和開源機器硬件加速器和虛擬器)/內核虛擬機 (KVM) 實用工具中運行的虛擬機 (VM)。它采用了最先進的 Hyper Visor 技術，搭配 Testbench Express (TBX) 技術，可以實現(xiàn)緊密集成的虛擬平臺解決方案。線卡虛擬機 (VM) 通過在位于公司網絡中任何位置的任何用戶 Windows 工作站上運行的 IxExplorer 或 IxVerify 客戶端應用程序與公司網絡上的底板 VM 進行通信。

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 實現(xiàn)加速的驗證流程

Mentor Graphics 和 IXIA 合作開發(fā)產品，使得網絡客戶能夠將 IXIA 虛擬環(huán)境無縫集成到基于硬件加速仿真的驗證流程中，因此為實驗室環(huán)境帶來強大的硬件加速仿真優(yōu)勢。這樣，客戶便可復用數(shù)據流生成腳本，進而提高效率、完善調試，縮短上市時間，使設計團隊能減少復雜芯片設計中的挑戰(zhàn)風險。

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

通過使用該系統(tǒng)，網絡設計團隊能在軟件仿真、硬件加速仿真和實驗室中運行相同的測試。它支持高性能，并可為前端驗證提供調試優(yōu)勢。實驗室中未發(fā)現(xiàn)的錯誤可在硬件加速仿真中通過與實驗室相同的測試環(huán)境進行追蹤。其中包括 PCIe、以太網和可能位于網絡交換機上的其他 VirtuaLAB 解決方案。測試整個產品中發(fā)現(xiàn)的錯誤，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)的這些最先進的虛擬化技術，這種硬件加速仿真則可能需要數(shù)周才能復制。

最終，通過使用后端軟件開發(fā)工具包 (SDK) 和測試環(huán)境，可以實現(xiàn)真正的“提前”前端驗證功能。消除復雜網絡 SoC 開發(fā)風險不再是遙遠的目標;如今，所有設計團隊都可以實現(xiàn)。