Veloce VirtuaLAB Virtuelle Emulation beschleunigt Marktreife von Netzwerkprodukten

Autor / Redakteur: Richard Pugh * / Sebastian Gerstl

Für den Netzwerkeinsatz produzierte Halbleiter zählen zu den größten ICs des aktuellen Marktes. Dies stellt besondere Herausforderungen an Verifikation und Entwicklung der Designs.

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Bild 1: Eine einzige Workstation bietet je simultanem Benutzer die äquivalente Emulationsfähigkeit eines ICE-Laborarbeitstischs
Bild 1: Eine einzige Workstation bietet je simultanem Benutzer die äquivalente Emulationsfähigkeit eines ICE-Laborarbeitstischs
(Bild: Mentor Graphics)

Durch eine größere Anzahl von Ports, erhöhten Durchsatz, abnehmende Latenz und allgemeine Verbesserungen bei der Sicherheit und beim Bedienkomfort erreichen heutige Netzwerk-Switches und Router über eine halbe Milliarde ASIC-Gatter. Sie gehören damit zu den größten IC-Designs. Nur die komplexesten Prozessoren und Grafikchips sind noch größer. Um die Hindernisse einer Hardware-Emulations-Umgebung zu überwinden, erfordert die Verifikation von Netzwerkdesigns einen virtuellen Emulationsansatz mit einem Enterprise-Server, der den größten Teil der Testumgebung in die Software verlagert.

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Ethernet-Switches und Router verfügen heute über 1000 Ports und unterstützen Schaltkapazitäten von mehr als 100 Terabit pro Sekunde. Da die Anzahl der Ethernet-Switches pro SoC wächst, ermöglicht eine höhere Parallelisierung größere Bandbreiten und Port-Geschwindigkeiten von 100 Gbit/s und mehr.

Derart komplexe IC-Designs vor der Verfügbarkeit des Siliziums zu verifizieren, ist eine gewaltige Aufgabe. Während man auf Blocklevel noch simulieren kann (mittels Hardwarebeschreibungssprache), ist die Verifikation des gesamten Designs mit mehreren Hundert Millionen Gattern und simuliertem Traffic unrealistisch und kommt deshalb nicht in Betracht. Dies ist der Hauptgrund, um In-Circuit-Emulation (ICE) einzusetzen. Allerdings werden diese ICE-Lösungen schnell problematisch. Designs mit Hunderten oder Tausenden von Ports haben so viele Kabelverbindungen zur Hardware, dass es nicht länger möglich ist, Netzwerk-Switch- und Router-Designs in einer ICE-Umgebung zu verifizieren.

Die Antwort ist ein virtueller Emulationsansatz mit peripherem Enterprise-Server wie ihn Mentor Graphics mit seiner industrieführenden Veloce-VirtuaLAB-Lösung bietet. VirtuaLAB liefert die meisten Fähigkeiten traditioneller ICEs – aber ohne den Morast von Kabeln und Hardwareeinheiten. Außerdem läuft VirtuaLAB auf der skalierbaren Veloce-Plattform, die bis zu zwei Milliarden Gatter verarbeiten kann.

Speziell für Netzwerkanwendungen bietet die VirtuaLAB-Ethernet-Lösung eine softwaregesteuerte Umgebung für die Generierung, Übertragung und Analyse von Ethernet-Paketen zum Testen von Ethernet-SoCs, die innerhalb einer Emulationsplattform abgebildet sind. Während sich mit der Simulation üblicherweise 1000 Pakete pro Tag überprüfen lassen, kann die VirtuaLAB-Ethernet-Emulation pro Tag über 11 Millionen verarbeiten.

VirtuaLAB Ethernet erfüllt die wichtigsten Ziele, die ein Netzwerk-Switch- oder Router-Unternehmen bei der Verifikation eines Chips hat: Paketlatenz, Bandbreite, Paketverlust, Out-of-Order-Sequenzen und Traffic-Analyse. Es steigert die Produktivität, erhöht die Designqualität und verringert das Risiko beim Erstellen großer, komplexer Netzwerksystemdesigns.

Ethernet-Tests in ICE- versus VirtuaLAB-Umgebungen

Da virtuelle Emulationsumgebungen im Vergleich zur ICE relativ neu sind, folgt nun eine kurze Gegenüberstellung: ICE bietet die Möglichkeit, ein Design mit echtem Traffic zu testen. Da eine direkte Verbindung zwischen Tester und emuliertem DUT (Design under Test) aufgrund der sehr verschiedenen Geschwindigkeitsdomänen nicht möglich ist, muss ein Geschwindigkeitsadapter zwischen den beiden eingefügt werden. Dieser gleicht die schnelle Geschwindigkeit des Testers mit der relativ geringen Geschwindigkeit des emulierten DUT aus.

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Ein Design mit 128 Ports führt zu einer Konfiguration mit mehreren Ethernet-Testern und Dutzenden von Ethernet-Geschwindigkeitsadaptern mit vielen Kabeln. Abgesehen von der wirren Kabelanordnung, der möglicherweise unzuverlässigen Hardware und den Gesamtkosten enttäuscht am meisten, dass der gesamte Aufbau nur einen Anwender unterstützt, der sich in der Nähe des Emulationslabors befinden muss.

In einer typischen VirtuaLAB-Umgebung wird der SoC in den Veloce-Emulator geladen und der Emulator mit der Anwenderumgebung auf einer Workstation über eine oder mehrere Softwareverbindungen angebunden. Über diese Verbindungen kann der Ingenieur mit dem DUT auf dem Emulator interagierten. Im Falle von Ethernet läuft auf der Workstation der VirtuaLAB-Ethernet-Packet-Generator und -Monitor (EPGM), der den virtuellen Ethernet-Traffic generiert. Der EPGM erstellt die Tests und ermöglicht Transparenz, Analyse und Benutzerkontrolle über den Ethernet-Traffic.

Um Konfigurationen mit vielen Ports zu unterstützen, lassen sich verschiedene VirtuaLAB-Anwendungen mit Hilfe von mehreren Co-Modell-Kanälen über mehrere Workstations bündeln. HSL-Karten (High Speed Link) verbinden die Co-Modell-Kanäle mit dem Emulator. Dieser eng integrierte Übertragungsmechanismus ist für maximale Taktleistung ausgelegt und wird an die Testbench übertragen. Der Emulationsdurchsatz auf Datenebene steigt aufgrund der parallelen Laufzeit und Debug-Architektur linear mit der Anzahl der Ports. Der virtuelle Tester lässt sich zur Durchführung mehrerer Funktionen schnell per Fernzugriff rekonfigurieren und die Workstation ist ein stabiler und zuverlässiger Teil des Equipments, zu einem Bruchteil der Kosten eines komplexen Ethernet-Tester mit vergleichbarer Funktionalität.

Von entscheidender Bedeutung ist die simultane Unterstützung mehrerer Benutzer, insbesondere beim Backup eines großen Softwareentwicklungsteams. Dies ermöglicht eine Veloce-OS3-Enterprise-Server-Anwendung, die die Ressourcennutzung optimiert, Auftragswarteschlangen bietet und Prioritäten mittels einer Load-Sharing-Managementsoftware vergibt. Der Enterprise-Server erlaubt es den Anwendern, Aufträge von ihren Desktops an die Veloce-Emulations-Ressourcen weiterzuleiten, die in Rechenzentren irgendwo auf der Welt untergebracht sind. Er unterstützt die simultane Verwendung von Veloce über mehrere Projekte, Teams, Benutzer und Anwendungsmodi. Und der Server findet heraus, wem er ein einzelnes oder mehrere Projekte am besten zuweist, um die effizienteste Nutzung der Veloce-Ressourcen zu gewährleisten. Das Resultat ist eine hocheffiziente rechenzentrumsfreundliche Emulationskapazität mit weltweitem 24/7-Zugriff.

Im Vergleich zur ICE bietet die VirtuaLAB-Ethernet-Lösung erhebliche Vorteile:

  • Da das System keine fehleranfällige externe Hardware und Verkabelung benötigt verbessert es die Zuverlässigkeit.
  • Die Produktivität steigt durch Nutzung einer effizienten Multi-User-Umgebung und der Möglichkeit, VirtuaLAB-Modelle per Fernzugriff zu rekonfigurieren, da lediglich die Kompilierungsparameter anstatt ein Gewirr von externen Hardwaregehäusen und Kabeln ausgetauscht werden.
  • Durch Einsatz einer zuverlässigen, kostengünstigen Workstation zur Ausführung der Softwaremodelle statt der Verwendung von Hardware mit teuren Testern reduziert VirtuaLAB die Gesamtkosten.
  • Der ROI wird verbessert, da sich der Emulator in einem Rechenzentrum befindet, wo ihn weltweit rund um die Uhr mehrere Teams nutzen können, genau so wie bei einer Serverfarm.
  • Die Qualität der Ergebnisse wird aufgewertet, da softwarebasierte Lösungen mehr Transparenz beim Debuggen bieten und weil Designer Zugriff auf Softwareprotokollprüfung und Analysatoren haben, die in physikalischen Umgebungen nur schwer zu verwenden sind.

Tiefgehendes komplexes Testen und Analysieren

Ethernet VirtuaLAB ist für die Generierung und Überwachung komplexer Testszenarien bestens geeignet. Eine interaktive und Batch-Mode-TCL-Befehlszeile steuert alle MACs und erzeugt eine Vielzahl von Protokollen und Traffic-Flows. Beispiele für Ethernet-Paketkonstruktionen sind nicht-homogene Pakettypen, alle Ethernet-Frame-Typen, rohe Nutzlasten, Jumbo-Pakete und vieles mehr. Die prozentualen Anteile des Traffics pro Protokolltyp können mit unterschiedlichen Paketgrößen oder variablen Größen pro Flow gemischt werden. Die Arbitration der Paketübertragung enthält mehrere Algorithmen wie WRR, DWRR, SO und Random.

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Das Ethernet-VirtuaLAB unterstützt komplexe Switching-Topologien mit Stresstests und Fehlerinjektion. Dies geschieht mit Hilfe einer dynamischen Rekonfiguration der Port-Gruppen für Vollduplexgeschwindigkeiten von 1/10/25/40/50/100 Gbit/s. 200/400 Gbit/s sollen in diesem Jahr folgen. Zum Beispiel lassen sich xMII/PCS-Breiten, Link-Geschwindigkeiten, Link Up/Down und Fehlerzustände während der Emulationslaufzeit dynamisch konfigurieren.

Außerdem werden für das Testen zahlreicher Port-Gruppen-Konfigurationen keine Rekompilierungsschritte benötigt. Protokoll- und Performanceverstöße wie CRC, Preambel, IFG und Zeilenrate werden gemeldet. Um Paketstatistiken, Tx/Rx Trace, Metadaten (z.B. Signaturen), Zeitstempel und alle Inhalte auf der Leitung zu untersuchen, lassen sich Pakete in interaktiven oder Batch-Sessions überprüfen.

Eines der Kennzeichen der Emulation ist die Möglichkeit, komplexe Leistungsanalysen bei großen, tiefen zustandsorientierten Systemen durchzuführen. In einigen Fällen können Millionen von Paketen erforderlich sein, um den Steady-State-Analysepunkt von Bedeutung im Design zu finden. Bei Messen der Datenübertragungsraten von Traffic-Flows in einem Terabyte-Ethernet-Switch werden VirtuaLAB Ethernet Signaturerzeugung und Paketzeitstempel zur Berechnung dieser Messungen verwendet. Messungen wie die per Port per Flow können beispielsweise leicht eine Woche dauern, um Geräte mit vielen Ports in der Simulation zu extrahieren. Mit der Emulation lassen sich dagegen die gleichen Messungen innerhalb einer Stunde durchführen.

Mit VirtuaLAB-Ethernet Risiken reduzieren und ROI erhöhen

Die erweiterte Netzwerkinfrastruktur, die zur Unterstützung des Internets der Dinge und anderer Netzwerksystemtechnologien benötigt wird, ergänzt bestehende Verifikationsherausforderungen und präsentiert neue. Wenn Unternehmen Produkte rechtzeitig und nach vollständiger Fehlerüberprüfung ihres Designs auf den Markt bringen wollen, benötigen sie eine Lösung, die solche komplexen Aufgaben handhaben kann. Nur die Emulation erfüllt diese Rolle.

Mit seiner Enterprise Verification Platform (EVP) hat Mentor Graphics speziell für Netzwerkunternehmen eine Reihe von Lösungen entwickelt, mit Veloce VirtuaLAB im Mittelpunkt. Diese Lösungen sind flexibler, bieten mehr Transparenz und lassen sich mit steigender Kapazität und Komplexität des Netzwerksystemdesigns skalieren. Da all diese Funktionen und Technologien auf der Idee der Enterprise-Emulation basieren, befinden sich alle Emulations-Ressourcen in Rechenzentren, auf die mehrere Teams, Benutzer und Projekte rund um die Uhr zugreifen können.

Die VirtuaLAB-Ethernet-Protocol-Lösung verifiziert die Soft- und Hardware aller Netzwerkmärkte, verringert das Risiko, erhöht das Vertrauen und verbessert die Designqualität. Als schnelle benutzerfreundliche Lösung steigert VirtuaLAB die Produktivität, sodass komplexe Ethernet-SoC-Designs termingerecht auf den Markt kommen.

* Richard Pugh ist Produkt Marketing Manager bei Mentor Graphics, Emulation Division

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