Verificarea 5G este imposibilă fără Emulație

Dezvoltarea tehnologiilor 5G a prins viteză, iar dezvoltatorii descoperă rapid noile provocări pe care le aduce 5G-ul.

Multe dintre tehnologiile anterioare au fost sparte in bucăți, reasamblate și reinventate.

Noi aplicațiile înseamnă mai multe standarde și cazuri de utilizare.

Mare parte din tehnologie este virtualizată.

Volumele de date vor fi masive datorită atât aplicațiilor noi, omniprezente, cât și noilor tehnologii cum ar fi massiv MIMO (mMIMO) și beamforming (tehnică a procesării semnalului).

Vor fi multiple arhitecturi în funcție de balanța de costuri și performanță.

Cerințele de performanță vor fi dure: latență mult mai mică, lățime de bandă mai mare și frecvențe mai mari.

Numărul de combinații posibile de tehnologii și configurații de echipamente face practic imposibil construirea prototipurilor și apoi testarea capabilităților și rezistenței acestora. Verificarea trebuie să fie pre-silicon (în timpul procesului pre-silicon, inginerii testează dispozitivele într-un mediu virtual cu instrumente sofisticate de simulare, emulare și verificare formală) și există un singur mod practic de a realiza asta: emulație hardware.

Reinventarea tehnologiei celulare

Tehnologia 5G aduce modificări semnificative arhitecturii 4G. În special, rețeaua de acces radio (RAN) a fost reimaginată ca Cloud RAN (uneori numită RAN centralizată) sau C-RAN. Backhaul a fost împărțit în două, cu o unitate centralizată (CU) care prelucrează banda de procesare înainte de a trimite semnale către unitățile distribuite (DU) în stațiile de bază. Conexiunea dintre CU și DU se numește acum fronthaul și, din punct de vedere tehnic, backhaul are loc acum între CU și core.

Nivelurile de rețea superioare sunt, de asemenea, virtualizate pe echipamente de calcul standard pentru o mai mare flexibilitate și agilitate. Această implementare a virtualizării cu funcție de rețea (NFV) și implementarea rețelei definite de software (SDN) face posibilă configurarea și reconfigurarea rețelelor în funcție de necesități pentru a utiliza în mod optim antenele radio disponibile și alte resurse. În timp ce adăugăm flexibilitate și reducem costurile de operare, aceste noi configurații creează oportunitatea pentru mai multe configurații decât ar fi fost posibil cu 4G și altele anteriore (3G, 2G), și toate aceste configurații trebuie verificate.

Figura 1 - 5G Arhitectură de rețea bazată pe backhaul, midhaul și fronthaul (sursa: Xilinx)

5G ca un tot pentru toată lumea

Ne-am obișnuit cu smartphone-urile care au atât capacități vocale, cât și date. Și 5G promite să crească cantitatea de date pe care telefoanele noastre o pot trata. Datele vor fi sporite în continuare prin tehnologii precum mMIMO și beamforming. Și, mai degrabă decât pierderea semnalului care ar fi fost considerat anterior interferențe inter-celulare, aceste semnale multiple - care însumează încă mai multe date - sunt utilizate pentru direcționalitatea și sensibilitatea mai mare pe care le oferă.

Dar, dincolo de voce și date mai tradiționale, 5G este destinat să-și asume mult mai multă responsabilitate decât au avut generațiile anterioare. În primul rând, acesta va fi un canal pentru dispozitivele Internet-of-Things (IoT) care transportă date către și din cloud. Acestea sunt aplicații cu lățime de bandă redusă pentru dispozitive IoT comerciale, dar, în total, vor contribui semnificativ la nivelurile de trafic. Dispozitivele IoT industriale pot genera cantități mult mai mari de date.

5G va transporta, de asemenea, trafic V2X auto. Mașinile sunt de așteptat să transmită volume imense de date pe măsură ce se conduc. Vehiculele autonome vor trebui să comunice cu tot ce este în jurul lor pentru a le păstra în siguranță, iar toate vehiculele - conduse sau fără șofer - sunt susceptibile de a trimite volume de date operaționale în cloud pentru a urmări și a îmbunătăți performanța.

În timp ce acest lucru se referă parțial la volumele de date preconizate, se adaugă și la numărul de cazuri de utilizare care trebuie luate în considerare la verificarea echipamentelor noi. Pentru a testa echipamentele folosind prototipuri reale, ar trebui să fie construite sute de unități de echipament pentru utilizator și zeci de stații de bază pentru a fi utile de la distanță. A avea multiple companii care construiesc multiple versiuni de multiple tipuri de echipament necesare pentru prototipuri de sisteme din lumea reală pentru testarea multiplelor cazuri înseamnă un întreg ciclu de a construi silicon-ul, de a construi sistemul pentru a vedea cum funcționează, și apoi revizuirea silicon-ului și crearea produselor comerciale. Asta înseamnă pierdere de timp, efort și bani.

Testarea sistemelor înaintea finalității silicon-ului asigură o acoperire mai bună. În cel mai bun caz, se evită cel puțin o rotație a măștii pentru fiecare IC în întreaga infrastructură 5G.

Testarea trebuie sa fie aprofundată

Provocarea nu constă doar în derularea unei liste lungi de teste; este, de asemenea, în împingerea limitelor și a sistemelor de stres, văzând unde se rup. Fiecare sistem va conține unul sau mai multe SoC-uri, iar fiecare SoC trebuie să fie executat printr-o varietate de teste de verificare realistă pentru a se asigura că, odată implementat, va fi în funcție de numeroasele sarcini pe care trebuie să le îndeplinească.

Lista testelor care trebuie efectuate include:

• Putere: vârf, medie și minimă - și respectarea unei specificații complete de intenție a puterii;
• Latență: minimă și maximă;
• Identificarea căilor critice în cazul în care sunt necesare schimbări de performanță;
• Punctele de eșec atunci când sunt subliniate până la limitele preconizate;
• Acoperirea cod: atât cod HLS / RTL pentru hardware, cât și milioane de linii de cod software care vor intra în sistemele generale;
• Matricele de acoperire a erorilor care identifică dacă toate testele au fost suficient de cuprinzătoare;
• Includerea infrastructurii de testare (proiectare-pentru-test, sau DFT);
• Verificare fizică care include identificarea și modificarea punctelor fierbinți care limitează randamentul de pe cip (proiectare pentru fabricare sau DFM).

În timp ce unele dintre aceste teste pot fi rulate pe sisteme live, altele - precum identificarea căilor critice, DFT și DFM - pot fi efectuate doar pe un sistem care are vizibilitate în designul propriu-zis.

Adăugarea AI

Un element nou va apărea într-o gamă largă de echipamente, iar 5G nu face excepție: inteligența artificială (AI) și învățarea automată (ML). Arhitecții consideră ML ca un instrument util pentru o serie de utilizări sofisticate în optimizarea infrastructurii 5G în timp real. Aceasta include estimarea automată a canalelor pentru transmisia aeriană (OTA); utilizarea rețelelor de autoorganizare (SON); predarea automată cu acces multiplu; și introducerea tehnologiei coordonate în mai multe puncte (CoMP) pentru îmbunătățirea MIMO și a diversității.

Sistemele vor funcționa cu modele de rețea neuronală instruite care pot fi actualizate. Numărul de opțiuni disponibile pentru prelucrarea rețelelor neuronale sugerează nu numai că o opțiune selectată trebuie verificată în detaliu, dar trebuie să fie testată alternativ înainte de a se decide această opțiune finală.

Apoi, există formare de model. Modelul în sine va depinde atât de exemplele specifice utilizate pentru formare, cât și de ordinea în care are loc acea pregătire. Și pe măsură ce mai multe exemple de formare devin disponibile, modelele pot fi perfecționate în continuare. În timp ce actualizările pot îmbunătăți modelele echipamentelor deja implementate, modelele inițiale trebuie să fie ele însele. Asta înseamnă să le testăm cu un număr enorm de exemple pentru a ne asigura că se comportă așa cum se aștepta într-o gamă largă de circumstanțe.

Îmbunătățirea emulației înainte de construirea silicon-ului

Un SoC 5G va fi un sistem extrem de complex, cu multe piese mobile. Un exemplu de unitate de bandă de bază este prezentat mai jos; nu este decât o modalitate de a face acest lucru. Cerințele de comunicare, de calcul și de memorie sunt substanțiale și există multe blocuri care trebuie să lucreze fără probleme pentru ca SoC să își îndeplinească eficient sarcinile.

Având în vedere că întreaga gamă de performanță a componentelor 5G trebuie testată în pre-silicon, ce opțiuni există? În realitate, există una singură: emulația. Alternativa evidentă, simularea, rulează prea încet pentru a obține orice lucru util de la distanță cu o gamă de teste atât de diversă și de exigentă. Emulația se execută de ordinul a 1000 de ori mai rapid decât simularea, făcând posibilă testarea scenariilor din lumea reală care implică atât hardware, cât și software.

Figura 2 - Procesor OCTEON ™ Fusion® CNF7100 cu bandă de bază (sursa: Marvell)

Utilizarea echipamentelor reale pentru a genera fluxurile de date utilizate pentru verificare poate părea o cale logică de urmat, dar aceasta are trei puncte slabe principale. În primul rând, rata de date provenită de la cablu nu corespunde în mod natural ritmului de testare din emulator, ceea ce face necesară utilizarea adaptorilor de viteză. În al doilea rând, aceste conexiuni și adaptoare de viteză trebuie să fie conectate manual, ceea ce face imposibil un model de emulare centralizat de date. În cele din urmă, și cel mai important, faptul că intrarea în trafic nu este previzibilă și nu poate fi repetată. Dacă apare o eroare, este dificil să reveniți și să redați evenimentul atunci când încercați să depanați problema. Este mult mai bine să avem o sursă de date care să fie deterministă, reproductibilă și scalabilă - ceea ce înseamnă că se pot face conexiuni cu unități scalabile dintr-un centru de date fără intervenție manuală.

Acestea sunt trăsăturile cheie ale unui sistem de emulare atunci când sunt însoțite de module de testare de protocol virtualizate, cum ar fi unitățile VirtuaLAB și alte piese cuprinzătoare de verificare IP care pot fi instanțate în interior sau conectate la un emulator. Fiecare protocol utilizat pentru conectarea componentelor sistemului 5G poate fi modelat și virtualizat pentru a conduce și primi date de la proiectarea sub test (DUT). Și pot fi inițiate de la distanță într-un centru de date.

Figura 3 - 5G Flux de dezvoltare fronthaul (sursa: Mentor)

Emulația este, de asemenea, mai precisă, deoarece toate piesele sistemului de test sunt aliniate la ceas Dacă apare un eșec, putem urmări exact ce ciclu a apărut și să corelăm acelea cu datele exacte de intrare și starea sistemului în loc atunci când s-a produs eroarea. Acest lucru necesită o cantitate enormă de presupuneri din procesul de depanare, eficientizând eforturile de a corecta defectele de proiectare și de a oferi un design complet verificat pentru generarea de măști.

În cele din urmă, porțiuni uriașe din planul de testare și rezultatele utilizate pentru verificarea pre-silicon pot fi utilizate direct pentru verificarea post-silicon. Aceasta elimină o cantitate enormă de lucrări de generare de teste și facilitează depurarea în cazul în care apar probleme la check-out-ul silicon. Înlocuind DUT virtual cu un cip fizic de siliciu, toată infrastructura adusă procesului de verificare poate fi reutilizată pentru a confirma că siliconul funcționează într-adevăr așa cum era de așteptat. Aceasta include testarea gamei largi de configurații și cazurile de utilizare necesare verificării pre-silicon.

5G necesită Emulare

Puterea foarte mare a 5G - flexibilitate, configurabilitate și o gamă largă de utilizări - face ca verificarea SoC-urilor 5G să fie extrem de dificilă. Complexitatea ridicată și cazurile de utilizare diverse prezintă o provocare uriașă pentru echipele care încearcă să-și pună silicon-ul 5G pe piață rapid și cu caracteristici și performanțe extrem de competitive. Vechile modalități de verificare și de stres a silicon-ului, după ce a fost construită o primă rundă de cipuri, nu mai este viabilă. Există prea multe opțiuni de luat în considerare; există prea multe configurații și arhitecturi care trebuie dovedite.

Emulația, combinată cu un sortiment bogat de versiuni virtualizate ale multor protocoale pe care 5G le va cere, este singura modalitate practică de a asigura că prima rundă de silicon construită va fi versiunea de producție, capabilă să gestioneze toate funcțiile și configurațiile pe care le are sau s-ar putea confrunta și să aibă caracteristicile de performanță stricte necesare pentru integrarea cu succes într-un sistem 5G.

Aceste SoC-uri vor fi mari și complexe. Dar, cu o capacitate de până la 15 miliarde de porți, emulatoarele pot gestiona cele mai mari arhitecturi 5G, împreună cu componentele virtualizate însoțitoare necesare pentru o verificare completă a oricărui design.

Figura 4 - Evoluția 5G (sursa: RPC)

Referințe

www.mentor.com