製造工程のテスト「生産ラインにおけるイーサネットデバイスの高速テストを実現するために」
はじめに
イーサネットは、今日のほぼすべての種類のネットワークで好まれる技術です。これらのネットワークは、スイッチ、ルーター、ネットワークインターフェースカード（NIC）などの主要コンポーネントをイーサネットケーブルで接続して構築されます。ネットワーク機器内部のコアASICと機器自体の両方の製品ライフサイクルを通じて、性能と信頼性を確保するために徹底的なテストが必要です。例として、図1はASICの製品ライフサイクルの各段階で実施される様々な種類のテストの概要を示しています。
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図1：半導体チップの製品ライフサイクルの各段階で実施される典型的なテストの例
これらのテストの多くは研究開発段階で実施されますが、イーサネットコンポーネントのメーカーは、デバイスが生産ラインから出荷される際にも製品品質を確保しなければなりません。この品質管理（QC）は、不良品が顧客に届くのを防ぐだけでなく、製品マネージャーやエンジニアに製造プロセスと歩留まりに関する貴重な知見を提供し、継続的な最適化を可能にする上で不可欠です。
生産ラインテストの実施とデータ分析は、研究開発や機能テストの実施とは大きく異なります。本記事は、イーサネットネットワークデバイスの品質管理に携わるテストエンジニアおよびテストマネージャーを対象としています。本稿では、イーサネット部品の生産ラインテストが直面する課題を明らかにし、代表的なテスト項目を探求するとともに、テスト環境を最適に構築するための指針を提供します。最後に、Teledyne LeCroyのソリューションがイーサネット生産ラインテストをいかに最適化できるかを検証します。生産ライン試験における特有の課題
あらゆる製造業者の目標は、コスト効率の良い方法で高品質かつ均一な製品を生産することです。製品品質は工場出荷前の最終段階で各ユニットを試験することで評価可能であり、製造効率は時間当たりの不良品ゼロユニット数などの指標を通じて評価できます。
高い製品品質と製造効率の両立には、テストプロセスが迅速・信頼性が高く、容易に自動化可能であることが不可欠です。大量生産環境では、テストのわずかな遅延すらスループットとコストに重大な影響を及ぼします。このため、欠陥を捕捉するのに十分なカバレッジを確保しつつ、短時間で効率化されたテストサイクルが強く求められます。例えばイーサネットスイッチの生産では、ポート数・速度・製品機能の複雑さに応じて、最終テストに1台あたり数分を要する場合があります。これは、新製品設計のあらゆる側面を徹底的に検証するために研究開発段階で必要とされる、数日あるいは数週間という期間とは著しい対照をなします。
さらに、テストは単純明快な合格/不合格基準に基づくべきです。生産ラインでのテストは非熟練者や半熟練者によって実施されることが多いため、テスト手順は深い技術的知識を必要とせず、実行と解釈が容易でなければなりません。
テスト手順自体は短く単純であっても、被試験デバイス（DUT）の各ポートは貴重な時間を要するテスト治具に接続されなければなりません。数十から数百ものポートを有する高密度スイッチでは、物理的なセットアップと取り扱いが重大なボトルネックとなり得ます。さらに、特に試験装置側では、コネクタの挿抜サイクル数を最小限に抑えるよう注意が必要です。何千回にもおよぶ繰り返しの使用により、コネクタ性能が経時劣化して信頼性の低い試験結果につながる可能性があるためです。
最後に、ポート速度の向上、新たな物理層技術、追加プロトコル機能に牽引されるイーサネットの急速な進化は、テスト手順の更新と適応を継続的に必要とします。新製品が開発・量産されるにつれ、テスト環境はより高いデータレート、新たなトランシーバータイプ、その他の新機能をサポートできるよう進化しなければなりません。
最終QCテスト段階における主要なテスト種類
最終QCで実施される具体的なテストケースは、テスト対象のイーサネットデバイスの種類（スイッチ、ルーター、NIC、アクティブケーブル、トランシーバーなど）に大きく依存します。各デバイス種別には固有の機能とインターフェース要件があり、それらが異なるテスト優先順位を決定します。ただし、出荷前にコア機能、相互運用性、信頼性を確保するため、ほとんどのイーサネット製品に共通して適用される高レベルのテストカテゴリがいくつか存在します。
信号品質とBER
（SI）テストは、ジッタやノイズなどの要因によるアイダイアグラム劣化を評価します。ビット誤り率（BER）テストでは、擬似乱数ビット列（PRBS）を送信し、測定誤り率が定義された閾値以下に維持されることを確認します。
高速イーサネットポートには、フォワードエラーコレクション（FEC）やイコライゼーションが組み込まれている場合が多いです。これらの機能が意図した通りに動作することを確認することが極めて重要です。同様に、イコライザーやその他の能動部品を統合したトランシーバーや能動電気ケーブルも、シグナルインテグリティテストを受ける必要があります。リンク確立検証
デバイスの各ポートは、想定速度で正常にリンクを確立できなければならない。これにはオートネゴシエーション（AN）のテストと、高速インターフェースの場合はリンクトレーニングが含まれます。
MACアドレス学習と転送
イーサネットスイッチのレイヤ2機能を検証するため、デバイスはイーサネットフレームを正しく学習し転送できなければなりません。これらのテストは、広範なRFC2889テストスイートの一部として実施可能です。テストにはVLANタグ付けと処理も含まれ、デバイスが802.1Qタグ付きフレームを適切に処理し、VLAN間でトラフィック分離を維持することを保証します。フロー制御処理の適正性を確認するため、ポーズフレームのサポートも検証可能です。
トラフィック負荷
短時間のトラフィック負荷テストにより、データパスが現実的なトラフィックパターンをエラーや劣化なく処理できることを確認します。テストはRFC2544テストスイートのサブセットとなり、スループット、レイテンシ、フレームロス、バッファ容量、バースト性トラフィックを検証します。研究開発段階のストレステストほど網羅的ではありませんが、このステップによりユニットの全体的な性能に対する信頼性が得られます。
生産ライン試験の実施上の考慮事項
生産ライン試験の主目的は、製品性能の迅速かつ再現性のある検証を達成し、出荷前にユニットに欠陥がないことを高い統計的信頼性で保証することです。試験プロセスは、製造工程におけるボトルネックの発生を回避しつつ製品品質を維持するため、スループット、カバレッジ、信頼性のバランスを取る必要があります。
図2：生産ライン試験における典型的な試験セットアップの概要
前節で概説したように、生産検証ではレイヤ1（物理層）とレイヤ2（データリンク層）の両方の性能指標に対処する必要があります。
物理層とデータリンク層の両方の試験を実行できる多機能計測器を導入することで、必要な個別の試験プラットフォームの数を削減でき、システム統合を簡素化し、総資本支出を低減できます。
一貫性を維持しオペレータ介入を最小限に抑えるには自動化が不可欠です。テスト実行はPythonなどの言語を用いて完全にスクリプト化可能であるべきであり、以下の機能を備える必要があります。
- ポートパラメータとトラフィックプロファイルの動的設定
- テストシーケンスの開始と制御
- トレーサビリティのための標準化された機械可読テストレポート生成
スループット向上のため、複数の被試験装置（DUT）を同時に評価する並列テスト（バッチ処理）が推奨されます。コネクタの繰り返し挿抜による機械的摩耗を最小化するため、テストアーキテクチャではDUTインターフェースと試験装置の間にパッチパネルを組み込むべきです。
最後に、選定するテストプラットフォームは、前方互換性を確保するため統一されたソフトウェアアーキテクチャを採用すべきです。これにより、新しいハードウェアリビジョン、高速インターフェース、追加プロトコル機能が導入された際にも既存の自動化スクリプトを再利用でき、ソフトウェア開発の労力を削減し、更新されたテスト手順の生産開始までの時間を短縮できます。
Teledyne LeCroy イーサネットテストプラットフォーム
Teledyne LeCroy Xenaプラットフォームは、豊富なレイヤ1およびレイヤ2テスト機能を備えたフル機能のイーサネットトラフィック生成・解析ソリューションです。表1に詳述されているように、幅広いモジュラーテストカードを通じて10 Mbpsから1.6 Tbpsまでの全イーサネットポート速度をサポートします。各モジュールタイプは複数のポート速度に対応し、コンパクトなシャーシに追加モジュールを挿入することで、高い汎用性と省スペース性を兼ね備えたテスト環境を構築できます。
表1: Teledyne LeCroy Xena イーサネットトラフィックジェネレータモジュールの概要
すべてのテストモジュールは、直感的なXenaManagerソフトウェアとオープンソースのPython自動化環境であるXena OpenAutomation（XOA）を通じて一元管理されます。この組み合わせにより、レガシーな10Mbpsインターフェースから最新の1.6Tbpsポートまで、サポートされるあらゆる速度での包括的なイーサネットデバイステストが可能となります。
Xenaトラフィックジェネレータは、生産ラインにおけるイーサネットテストに特に適しており、以下の利点を提供します。
- 事前設定済みのポートとトラフィックプロファイルによるテストエンジニア向けの迅速なセットアップ
- テスト管理者向けのカスタマイズ可能なデータ豊富なレポート
- 既存のテストスイートとの容易な統合を可能にするオープンソースのテストソフトウェアとテンプレート
統合ソフトウェア
すべてのXenaテストモジュールは、速度に関わらず同一の統合ソフトウェアインターフェースで管理され、ポート設定、トラフィック構成、テスト実行において全製品ラインで一貫したワークフローを保証します。10Mbpsから1.6Tbpsまでのテストにおいて、ポート設定とトラフィックプロファイル定義のプロセスは同一であり、トレーニング要件を最小限に抑え、運用を簡素化します。
テストケース開発時には、XenaManagerが直感的なGUIベースの環境を提供し、ポートの迅速な設定とトラフィックプロファイルの作成を可能にします。事前設定済みポートや多様なトラフィックパターン用の組み込みテンプレートにより、エンジニアは最小限の時間でテストを開発・改良できます。
自動テストでは、Xena OpenAutomation（XOA）フレームワークにより、Teledyne LeCroyのXenaテスト機器をカスタムテストスイートにシームレスに統合できます。顧客はXOA CLIを使用し、TCP/IP接続を介してテキスト行としてCLIコマンドを送信できます。対応クライアントプラットフォームにはTcl、Perl、Python、BASH、Ruby、Javaなどが含まれます。
XenaManagerで作成したテストポート設定は、XOA CLI形式で読み取り可能な.xpcファイルに便利に保存できます。これにより、ユーザーフレンドリーなテスト開発プロセスと、生産ラインにおける迅速かつ一貫性のあるテストポート設定が実現します。
XOAプラットフォームには、オブジェクト指向アプローチを活用したXOA Python APIも含まれており、これにより自動化スクリプトの開発を加速する高レベルの抽象化を提供します。
Python APIを使用することで、エンジニアはXenaManagerで使用されているのと同じ一貫した構成モデルを活用し、既存のワークフローにXenaテストを直接組み込み、変更することができます。
XOA環境では、テストポートの設定、テスト実行、レポート作成をわずか数秒で実現します。出力レポートには、例えば特定の時間内にポートで受信したパケット数などのポート統計情報が含まれます。
幅広いテスト
Teledyne LeCroy Xenaはレイヤ1およびレイヤ2の両方で多様なテストをサポートします。
Xenaを使用すると、テストエンジニアは例えば以下を実施できます。
- NRZのアイダイアグラムやPAM4の信号整合性ビューなどの信号整合性テスト
- イコライザタップ設定制御
- 様々なPRBSパターンを用いたFEC前後のBERテスト
- MAC学習および転送性能テスト
- VLANフィルタリング検証
- パケットサイズとポート使用率を設定可能なトラフィック負荷テスト
本ソフトウェアにはRFC 2544およびRFC 2889の完全なテストスイートが含まれており、標準化されたレイヤ2性能テストの迅速な設定と詳細な結果レポート作成を可能にします。Xena2544ソフトウェアは、生産ラインテスト向けの特定テスト設定もサポートしており、例えばDUT上の全LANポート間でのペア単位トラフィック送信や、WANポートと複数LANポート間のトラフィック送信などが可能です。
トランシーバおよびケーブルのテスト向けに、トラフィックジェネレータはCMIS読み書きサポートも備えており、イコライザ設定の構成、ファームウェアダウンロードの実行、その他のモジュール固有の操作が可能です。進化するイーサネット規格に対応した柔軟な拡張性
アプリケーションの性能要求が高まるにつれ、イーサネット速度はマルチテラビットインターフェースへと拡大を続けています。Xenaのモジュラー設計により、10Mbpsのレガシーデバイスから最先端の1.6Tbpsインターフェースまで、テストインフラ全体を交換することなく、必要に応じてテスト機能を容易に適応させることが可能です。
Teledyne LeCroyの全イーサネットトラフィックジェネレータにおいて、ポートとトラフィックフローの設定方法は同一であるため、新たな高速モジュールの追加も容易です。
産業環境向けに設計
Xenaテストモジュールは、過酷な産業環境向けに特別設計された堅牢なシャーシに設置可能です。設置スペースに応じた2サイズを用意：最大12種類のモジュールを搭載可能なモジュラー4Uシャーシと、単一テストモジュールを収容するコンパクトな1Uシャーシです。
図4：Teledyne LeCroy B2400シャーシ
まとめ
生産ラインでのテストには、高い製品品質と製造効率の両方を保証する自動化された簡便な手順が求められます。テストはレイヤ1とレイヤ2の両方の機能をカバーしつつ、テスト準備に要する時間を最小限に抑える必要があります。このため、理想的なテストプラットフォームはL1とL2の機能を統合し、ポート設定やトラフィックフロー設定などの操作の自動化をサポートします。
Teledyne LeCroyのイーサネットテストモジュールシリーズは、10Mbpsから1.6Tbpsまでの統合L1/L2テスト機能を提供し、生産ライン環境に最適です。全モジュールは統一されたXenaManagerソフトウェアとXOAオープンソース自動化フレームワークで管理され、エンジニアは効率的なテストスクリプトを迅速に開発し、既存のテスト環境にシームレスに統合できます。
※本記事はXena Networks社発行「Production Line Testing」を日本語翻訳したものです。
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