最近，我有機(jī)會(huì)與新思科技在速度適配器和在線仿真 （ICE） 方面的杰出專家進(jìn)行了交談。許多了解我專業(yè)背景的人都認(rèn)為我是基于交易器的虛擬仿真的倡導(dǎo)者，因此我真的很驚訝地發(fā)現(xiàn)當(dāng)今的速度適配器所取得的令人印象深刻的結(jié)果對(duì)于系統(tǒng)在其實(shí)際使用環(huán)境中的驗(yàn)證至關(guān)重要。

在本文中，我分享我所學(xué)到的知識(shí)。雖然保密性使我無(wú)法透露客戶的名字，但所有示例都來(lái)自領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司和整個(gè)行業(yè)的主要超大規(guī)模企業(yè)，使用 ZeBu? 仿真或 HAPS? 原型設(shè)計(jì)以及 Synopsys 速度適配器。當(dāng)您閱讀本文時(shí)，您可以參考下圖 Synopsys Speed Adaptor 解決方案：

圖 1：Synopsys Speed Adaptor 解決方案和系統(tǒng)驗(yàn)證服務(wù)器 （SVS） 的部署圖

案例研究 #1：在系統(tǒng)驗(yàn)證中結(jié)合保真度和靈活性的價(jià)值

挑戰(zhàn)

一家大型無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體公司采用虛擬平臺(tái)和硬件輔助驗(yàn)證 （HAV） 平臺(tái)來(lái)加速早期軟件開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

該公司的運(yùn)營(yíng)圍繞三個(gè)不同的業(yè)務(wù)部門組織，每個(gè)業(yè)務(wù)部門負(fù)責(zé)獨(dú)立設(shè)計(jì)自己的芯片。每個(gè)單位都為其虛擬主機(jī)解決方案平臺(tái)選擇了不同的主要 EDA 供應(yīng)商。乍一看，這種多供應(yīng)商設(shè)置可能看起來(lái)支離破碎，但由于虛擬平臺(tái)通常建立在相似的架構(gòu)藍(lán)圖之上，因此該方法仍然導(dǎo)致所有三個(gè) BU 之間保持一致和標(biāo)準(zhǔn)化的驗(yàn)證環(huán)境。

除了這些虛擬設(shè)置外，工程團(tuán)隊(duì)還采用了在線仿真 （ICE）。在這里，他們?cè)俅螌?shí)現(xiàn)了工具的多樣化，從三大 EDA 供應(yīng)商中的兩家采購(gòu)速度適配器和仿真。這使他們能夠進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，將仿真環(huán)境與真實(shí)硬件組件連接起來(lái)，以驗(yàn)證真實(shí)條件下的行為。

在一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)里程碑中，一位負(fù)責(zé)監(jiān)督設(shè)計(jì)驗(yàn)證的高級(jí)副總裁要求進(jìn)行跨平臺(tái)驗(yàn)證計(jì)劃：在 BU 之間交換設(shè)計(jì)和工具，驗(yàn)證每個(gè) BU 的芯片是否在所有供應(yīng)商的平臺(tái)上工作，在流片前發(fā)現(xiàn)隱藏的不一致之處。

該任務(wù)要求在所有三個(gè)虛擬主機(jī)平臺(tái)和兩個(gè) ICE 設(shè)置上運(yùn)行每個(gè) BU 的設(shè)計(jì)，以確保環(huán)境獨(dú)立性。

就在這時(shí)，驚喜襲來(lái)了！一種設(shè)計(jì)在所有三個(gè)虛擬主機(jī)平臺(tái)上都完美通過(guò)。它在其中一個(gè) ICE 平臺(tái)上通過(guò)，但在另一個(gè) ICE 平臺(tái)上失敗，導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)完全停止。直接的懷疑落在了速度適配器上。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將問(wèn)題上報(bào)給 EDA 供應(yīng)商的 ICE 專家進(jìn)行根本原因分析。

解決方案

EDA 供應(yīng)商的 ICE 團(tuán)隊(duì)深入挖掘了日志和波形跡線，找到了真正的罪魁禍?zhǔn)住＿@不是適配器。這是 DUT RTL 中的一個(gè)錯(cuò)誤。

由于缺少低級(jí)系統(tǒng)行為建模，這個(gè) RTL 缺陷逃脫了所有三個(gè)虛擬平臺(tái)。由于保真度較低的實(shí)現(xiàn)，逃脫了其中一個(gè) ICE 設(shè)置，并且僅出現(xiàn)在保真度較高的 ICE 平臺(tái)上，該平臺(tái)準(zhǔn)確地反映了真實(shí)的服務(wù)器行為。

在現(xiàn)實(shí)世界的服務(wù)器系統(tǒng)中，三個(gè)關(guān)鍵的硬件/軟件層同時(shí)交互。從下往上看，層次是：

1. 主板芯片組，包括 PCIe 交換機(jī)、橋接芯片和其他支持芯片

2. BIOS，處理低級(jí)系統(tǒng)初始化和配置

3. 作系統(tǒng) （OS），例如 Linux 或 Windows，運(yùn)行在頂部

虛擬主機(jī)平臺(tái)通常僅使用虛擬機(jī)方法（通常基于 QEMU）模擬作系統(tǒng)層。BIOS 的表示最少，芯片組行為被完全抽象出來(lái)。

然而，在高保真 ICE 平臺(tái)上，通過(guò)速度適配器連接了真正的英特爾服務(wù)器主板。在啟動(dòng)期間，此英特爾芯片組通過(guò) PCIe 正確發(fā)出供應(yīng)商定義消息 （VDM），這是許多生產(chǎn)英特爾服務(wù)器中的標(biāo)準(zhǔn)行為，但在虛擬平臺(tái)中根本沒(méi)有建模。收到此 VDM 后，DUT 錯(cuò)誤地丟棄了數(shù)據(jù)包，而不是更新 PCIe 流量控制。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)期間出現(xiàn)死鎖。沒(méi)有軟件解決方法，唯一的解決方案是在流片前修復(fù) RTL。

結(jié)果

如果未被檢測(cè)到，該芯片將在每次服務(wù)器部署中都會(huì)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致產(chǎn)品到達(dá)時(shí)死亡。在硅前檢測(cè)到錯(cuò)誤為公司節(jié)省了數(shù)百萬(wàn)美元的重新旋轉(zhuǎn)和數(shù)月的進(jìn)度延遲。該事件表明，為什么高精度虛擬環(huán)境對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤至關(guān)重要，而高保真度的電路內(nèi)設(shè)置對(duì)于獲得最終保真度和設(shè)計(jì)信心是必要的。

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案例研究 #2：ICE 提供卓越的吞吐量

挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)外設(shè)接口產(chǎn)品時(shí)，工程團(tuán)隊(duì)通常依靠虛擬解決方案進(jìn)行早期驗(yàn)證。雖然虛擬環(huán)境可以對(duì)協(xié)議控制器進(jìn)行建模，但它們無(wú)法準(zhǔn)確表示物理 （PHY） 層。

在這些虛擬模型中，PHY 被刪除并替換為簡(jiǎn)化的“假”模型，允許編寫用于基本寄存器編程的軟件，但不支持鏈路訓(xùn)練、均衡或真正的電信號(hào)。因此，鏈接訓(xùn)練可能看起來(lái)很成功，因?yàn)槟Ｐ汀凹僭O(shè)”合規(guī)性。時(shí)序失配、均衡故障和信號(hào)完整性問(wèn)題等細(xì)微問(wèn)題一直隱藏在硅后測(cè)試后期。測(cè)試實(shí)際的互作性是不可能的，尤其是與各種第三方硬件和驅(qū)動(dòng)程序的互作性。

由于這一缺點(diǎn)，一家領(lǐng)先的超大規(guī)模企業(yè)面臨著重大挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)周期的早期，他們僅僅為了編程和訓(xùn)練 PHY 就面臨長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的延遲，將關(guān)鍵錯(cuò)誤的發(fā)現(xiàn)推向了昂貴的硅后階段。

解決方案

為了克服這些挑戰(zhàn)，他們采用了新思科技速度適配器將 PHY 引入仿真環(huán)境。

通過(guò)這種方法，PHY 通過(guò)速度適應(yīng)物理連接到仿真器。這些板支持完整的編程、培訓(xùn)和鏈路初始化，就像在芯片上一樣。

這種集成有效地將仿真環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲脑诰€仿真 （ICE） 平臺(tái)，將硅前仿真的速度和可見(jiàn)性與實(shí)際硬件的物理精度和互作性相結(jié)合

影響示例

PCIe Gen5 接口

• 在虛擬設(shè)置中，Gen5 設(shè)備的鏈路訓(xùn)練序列似乎很成功。

• 當(dāng)通過(guò)速度適配器和 PHY 進(jìn)行測(cè)試時(shí)，客戶發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的時(shí)序不匹配和均衡故障，這些故障本可以逃脫虛擬驗(yàn)證。

• 在硅前解決這些問(wèn)題，避免了潛在的昂貴的硅重新旋轉(zhuǎn)，并確保完全符合 Gen5 規(guī)范。

UFS 存儲(chǔ)接口

• UFS 主機(jī)控制器通過(guò)了虛擬模型中的功能測(cè)試。

• 當(dāng)通過(guò)速度適配器連接到真實(shí)的 UFS PHY 時(shí)，工程師發(fā)現(xiàn)了時(shí)鐘未對(duì)準(zhǔn)、突發(fā)模式不穩(wěn)定以及壓力條件下的數(shù)據(jù)損壞——這些問(wèn)題根源于真實(shí)信令，在虛擬模型中是看不見(jiàn)的。

• 早期檢測(cè)提高了系統(tǒng)可靠性并確保符合 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)。

驅(qū)動(dòng)程序互作性測(cè)試

• 在根復(fù)雜模式下，不同的 GPU（NVIDIA、AMD、Intel）各自使用不同的驅(qū)動(dòng)程序和優(yōu)化。

• 虛擬環(huán)境無(wú)法測(cè)試這些真實(shí)驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)樗鼈冃枰锢斫涌凇?/p>

• 速度適配器允許針對(duì)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行完整的驅(qū)動(dòng)程序堆棧，從而暴露出虛擬模型永遠(yuǎn)無(wú)法捕獲的勘誤表和互作性錯(cuò)誤。

結(jié)果

之前四個(gè)月的 PHY 編程加上長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的硅后訓(xùn)練，在硅前幾周內(nèi)就完成了。這是可能的，因?yàn)樗俣冗m配器運(yùn)行工作負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了快速設(shè)計(jì)迭代和更快的啟動(dòng)周期。另一個(gè)好處是改進(jìn)了調(diào)試和重用，因?yàn)樵诠枨坝?xùn)練的相同 PHY 配置可以直接在硅后重用，從而加速啟動(dòng)。

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案例研究 #3：以太網(wǎng)產(chǎn)品驗(yàn)證

挑戰(zhàn)

在開(kāi)發(fā)高級(jí)以太網(wǎng)產(chǎn)品（如超以太網(wǎng)、智能網(wǎng)卡或智能交換機(jī)）時(shí)，工程師面臨著一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)：如何將真實(shí)的軟件流量引入以太網(wǎng)驗(yàn)證環(huán)境。

虛擬環(huán)境提供部分解決方案。虛擬測(cè)試器生成器 （VTG） 提供低級(jí)數(shù)據(jù)包流量（第 2 層、第 3 層），但不執(zhí)行應(yīng)用軟件堆棧。虛擬主機(jī) （VHS） 允許軟件交互，但缺乏流量控制功能。如果沒(méi)有流量控制，數(shù)據(jù)包就會(huì)被丟棄，這對(duì)于保真度和確定性至關(guān)重要的驗(yàn)證環(huán)境來(lái)說(shuō)是一個(gè)不可接受的限制。

因此，從流量控制角度 （VHS） 來(lái)看，傳統(tǒng)的虛擬環(huán)境要么不完整 （VTG），要么不完全可靠。這一差距使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)無(wú)法跨所有協(xié)議層全面驗(yàn)證以太網(wǎng)產(chǎn)品，尤其是依賴于真實(shí)驅(qū)動(dòng)程序、作系統(tǒng)和診斷軟件的更高層（L4-L7）。

溶液

以太網(wǎng)速度適配器通過(guò)以太網(wǎng)將虛擬測(cè)試環(huán)境與真實(shí)軟件執(zhí)行聯(lián)系起來(lái)，從而彌補(bǔ)了缺失的環(huán)節(jié)。

與 VHS 不同，速度適配器保證零丟包，即使在高流量下也能提供確定性性能。虛擬測(cè)試儀（例如，來(lái)自 Ixia 或 Spirent）對(duì)于低級(jí)（第 2/3 層）功能驗(yàn)證仍然有用。速度適配器可以執(zhí)行測(cè)試人員無(wú)法模擬的真實(shí)驅(qū)動(dòng)程序和基于 Linux 的診斷工具。虛擬測(cè)試儀和速度適配器共同構(gòu)成了涵蓋所有以太網(wǎng)層的完整解決方案。

對(duì)于初創(chuàng)公司或預(yù)算有限的客戶來(lái)說(shuō)，速度適配器是對(duì)更昂貴的虛擬測(cè)試儀許可證的補(bǔ)充。速度適配器可以以更低的成本提供等效的數(shù)據(jù)包生成和分析。此外，免費(fèi)和開(kāi)源測(cè)試生成器可以分層在速度適配器之上，以低得多的成本復(fù)制測(cè)試儀功能。

結(jié)果

在實(shí)踐中，這種混合方法使客戶能夠根據(jù)正在開(kāi)發(fā)的硬件驗(yàn)證真實(shí)的軟件堆棧，而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)包。捕獲僅出現(xiàn)在更高協(xié)議層中的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，這些問(wèn)題是純虛擬測(cè)試環(huán)境無(wú)法暴露的問(wèn)題。以經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式擴(kuò)展，將有限的 VTG 許可證與速度適配器相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)試覆蓋。

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案例研究 #4：與 MIPI 速度適配器的真實(shí)傳感器互作性

挑戰(zhàn)

一家大型無(wú)晶圓廠企業(yè)的顯示和測(cè)試框架 （DTF） 團(tuán)隊(duì)面臨著一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)且代價(jià)高昂的問(wèn)題。他們需要根據(jù)基于MIPI的真實(shí)圖像傳感器和相機(jī)來(lái)驗(yàn)證其芯片設(shè)計(jì)。然而，在虛擬仿真環(huán)境中，這是不可能的，因?yàn)樘摂M模型可以模仿協(xié)議行為，但無(wú)法復(fù)制真實(shí)的傳感器電信號(hào)或時(shí)序。供應(yīng)商特定的攝像頭和傳感器各自具有獨(dú)特的初始化序列、時(shí)序怪癖和信號(hào)完整性特性，這些都是通用虛擬模型無(wú)法捕獲的。當(dāng)?shù)谝粔K硅從晶圓廠返回時(shí)，它經(jīng)常無(wú)法與預(yù)期的相機(jī)和傳感器連接，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的啟動(dòng)工作，甚至整個(gè)硅重新旋轉(zhuǎn)。

這種限制造成了重大的上市時(shí)間瓶頸。當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬件兼容性問(wèn)題時(shí)，該設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)歷了昂貴的制造，從而推遲了產(chǎn)品發(fā)布。

解決方案

為了消除這一瓶頸，該公司采用了 MIPI 速度適配器，使 ICE 具有真正的傳感器硬件。使用這種方法，在仿真器內(nèi)部運(yùn)行的芯片設(shè)計(jì)可以直接連接到真實(shí)的、特定于供應(yīng)商的 MIPI 相機(jī)和圖像傳感器。工程師可以像在物理芯片上一樣執(zhí)行完整的初始化、配置和數(shù)據(jù)流路徑。該設(shè)置支持輕松更換不同的傳感器和相機(jī)型號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)跨供應(yīng)商的快速互作性測(cè)試。

這種能力為 DTF 團(tuán)隊(duì)提供了他們?cè)诠枨八璧恼鎸?shí)世界覆蓋，而無(wú)需等待芯片從晶圓廠返回。

結(jié)果

該設(shè)計(jì)已成功測(cè)試，使用計(jì)劃生產(chǎn)的確切供應(yīng)商特定相機(jī)和傳感器型號(hào)。通過(guò)發(fā)現(xiàn)硅前的集成問(wèn)題，企業(yè)避免了因硅后啟動(dòng)故障而導(dǎo)致的代價(jià)高昂的設(shè)計(jì)重新旋轉(zhuǎn)。取消硅后相機(jī)/傳感器調(diào)試周期加快了整體產(chǎn)品進(jìn)度。最后，團(tuán)隊(duì)可以簽署，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)世界的外圍設(shè)備中得到了驗(yàn)證。

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案例研究 #5：Synopsys 的系統(tǒng)驗(yàn)證服務(wù)器 （SVS） 如何捕獲其他解決方案遺漏的關(guān)鍵錯(cuò)誤

挑戰(zhàn)

使用 ICE 進(jìn)行硅前驗(yàn)證歷來(lái)面臨嚴(yán)重障礙。標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成主機(jī)服務(wù)器的設(shè)計(jì)不能容忍仿真器的緩慢或間歇性響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)仿真器時(shí)鐘停止或變慢時(shí)，主機(jī)通常會(huì)超時(shí)，從而中止測(cè)試運(yùn)行。

該客戶的芯片驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)親身遇到了這一限制。雖然他們?yōu)?ICE 使用了商業(yè)仿真主機(jī)服務(wù)器，但該系統(tǒng)沒(méi)有強(qiáng)制執(zhí)行嚴(yán)格的實(shí)際時(shí)序和協(xié)議檢查。這有可能讓有缺陷的設(shè)計(jì)通過(guò)硅前簽核，但在生產(chǎn)后期失敗。

解決方案

為了克服這些限制，客戶的驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)采用了新思科技的系統(tǒng)驗(yàn)證服務(wù)器 （SVS） 作為其 ICE 驗(yàn)證的主機(jī)系統(tǒng)。SVS 是一款經(jīng)過(guò)預(yù)先驗(yàn)證的專用主機(jī)，專為與速度適配器和仿真器配合使用而設(shè)計(jì)。與通用主機(jī)或傳統(tǒng)商業(yè)主機(jī)服務(wù)器設(shè)置相比，它具有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。SVS 附帶一個(gè)自定義 BIOS，旨在容忍仿真器的緩慢響應(yīng)時(shí)間，以消除超時(shí)，否則可能會(huì)過(guò)早終止驗(yàn)證運(yùn)行。SVS 忠實(shí)地模仿最終將插入的 DUT，包括強(qiáng)制執(zhí)行嚴(yán)格的規(guī)范合規(guī)性，特別是對(duì)于 PCIe 等復(fù)雜子系統(tǒng)。參見(jiàn)文章頂部的圖 1。

驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)在 3 個(gè)RDparty 仿真硬件和 Synopsys 的 SVS.使用 3RDparty 仿真時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)成功，但在 SVS 上，啟動(dòng)完全失敗。最初，工程師懷疑 SVS 存在硬件故障。正如他們所說(shuō)：“你的 SVS 壞了，而其他人工作正常。

然而，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的調(diào)試會(huì)話后，發(fā)現(xiàn)他們的 DUT 在 PCIe 空間寄存器中包含配置錯(cuò)誤。3RDparty 仿真解決方案和主機(jī)服務(wù)器屏蔽了這些錯(cuò)誤，因?yàn)樗褂昧藷o(wú)法強(qiáng)制實(shí)施 PCIe 寄存器約束的過(guò)時(shí) BIOS。相比之下，SVS 嚴(yán)格執(zhí)行 PCIe 規(guī)范并正確拒絕非法寄存器值。該錯(cuò)誤無(wú)法通過(guò)固件修復(fù)（沒(méi)有軟件補(bǔ)丁可以糾正它）。

結(jié)果

SVS 暴露了一個(gè) RTL 級(jí)配置錯(cuò)誤，虛擬流和另一個(gè)仿真解決方案遺漏了該錯(cuò)誤。由于 SVS 修改后的 BIOS，它消除了超時(shí)不穩(wěn)定性，允許穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試。

SVS 確保只有符合規(guī)范的設(shè)計(jì)才能進(jìn)入流片，從而消除遺留流程中的誤報(bào)。

如果設(shè)計(jì)是基于 3 流片的RD派對(duì)仿真“通過(guò)”，則芯片將是 DOA，需要進(jìn)行完整的、昂貴的重新旋轉(zhuǎn)。

結(jié)論

早在 2015 年，我就為《電子設(shè)計(jì)》撰寫了“冰河時(shí)代的融化”，其中我預(yù)測(cè)了在線仿真 （ICE） 的消亡。它的眾多缺點(diǎn)（參見(jiàn)本系列的第 1 部分）似乎注定了它被歷史所取代，取而代之的是基于事務(wù)的仿真，以及后來(lái)推動(dòng)左移驗(yàn)證方法的混合方法。事后看來(lái)，我必須承認(rèn)我低估了工程界的聰明才智和足智多謀。

如今，第三代速度適配器再次將 ICE 推向了系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證的聚光燈下。曾經(jīng)只能在硅后實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)到的錯(cuò)誤現(xiàn)在可以在硅前識(shí)別出來(lái)。此功能不僅降低了重新旋轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，還加快了流片時(shí)間并節(jié)省了巨額費(fèi)用。ICE 非但沒(méi)有消失，反而重新成為系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證的基石。