網(wǎng)絡(luò)處理器芯片的國(guó)產(chǎn)化之路

網(wǎng)絡(luò)處理器芯片的國(guó)產(chǎn)化之路2015/1/209:25:08關(guān)鍵詞：處理器芯片處理能力商用網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)處理器芯片主要用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，對(duì)于位于網(wǎng)絡(luò)通信終端節(jié)點(diǎn)的用戶來(lái)說(shuō)，通常是透明而不可見(jiàn)的。因此，與通用CPU以及嵌入式CPU等大眾電子消費(fèi)密切相關(guān)的通用\o"處理器芯片"處理器芯片相比，網(wǎng)絡(luò)處理器(NetworkProcessor)芯片一直以來(lái)很少能夠獲得廣泛的關(guān)注。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)處理器廣泛應(yīng)用于包括路由器、交換機(jī)等各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備中，它特定應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的各種任務(wù)，例如報(bào)文處理、協(xié)議分析、路由查找、防火墻以及QoS等。網(wǎng)絡(luò)處理器芯片對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施的重要性，阿爾卡特朗訊公司的BasilAlwan有一句話形容得很貼切，“網(wǎng)絡(luò)處理器是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最根本的基因，它定義了路由器平臺(tái)的能力、可擴(kuò)展性以及面向未來(lái)演化的可能性[1]”。國(guó)內(nèi)外研制情況經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)處理器正逐漸替代網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備中固定功能的ASIC芯片，已成為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的戰(zhàn)略性核心器件。\o"商用網(wǎng)絡(luò)"商用網(wǎng)絡(luò)處理器市場(chǎng)在不斷增長(zhǎng)，而市場(chǎng)上網(wǎng)絡(luò)處理器芯片產(chǎn)品則基本上來(lái)自國(guó)外廠商。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理器按核心處理單元的不同可以分為兩類(lèi)，即基于微核的網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU)以及基于通用CPU核的網(wǎng)絡(luò)處理器(GNP)，主要區(qū)別如表1所示。

目前，典型商用網(wǎng)絡(luò)處理器芯片包括阿爾卡特朗訊的FP系列[1]、Marvell公司的Xelerated系列[2]、EZchip的NP系列[3]等。上述網(wǎng)絡(luò)處理器通常采用多核多線程、超流水等高級(jí)體系結(jié)構(gòu)，利用功能部件定制優(yōu)化、深亞微米集成電路設(shè)計(jì)等技術(shù)提高報(bào)文處理性能，其中多款網(wǎng)絡(luò)處理器可以達(dá)到400Gbps報(bào)文處理要求。阿爾卡特朗訊公司的FP3網(wǎng)絡(luò)處理器集成共288個(gè)RISCCore，主頻可達(dá)1GHz，其中每32個(gè)Core為一個(gè)Cluster，共9個(gè)Cluster。它采用多Pipeline處理模型，F(xiàn)P3的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)處理能力高達(dá)400Gbps。與FP3類(lèi)似，Marvell公司的HX4100網(wǎng)絡(luò)處理器(原Xelerated公司)也采用類(lèi)似的多Pipeline處理模型，通過(guò)集成數(shù)百個(gè)支持VLIW指令集的PISC(PacketInstructionsetcomputer)專(zhuān)用處理器核，也可實(shí)現(xiàn)400Gbps線速報(bào)文處理。值得一提的是，HX4100流水線間得PISC采用同步數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)，從而避免了控制流模型中的指令相關(guān)性對(duì)性能的影響，可確保系統(tǒng)獲得確定性的處理性能。EZchip的NP-5采用FunctionalPipeline處理模型，處理流程映射到4級(jí)面向任務(wù)優(yōu)化的處理引擎，采用專(zhuān)用指令集，基于功能編程語(yǔ)言(FPL)開(kāi)發(fā)，分組\o"處理能力"處理能力達(dá)到240Gbps。上述芯片產(chǎn)品都屬于基于微核的網(wǎng)絡(luò)處理器，大多采用流水線方式組織，以提供極高的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)處理性能，在芯片功耗方面具有優(yōu)勢(shì)，主要缺點(diǎn)是通常僅支持微碼編程，軟件開(kāi)發(fā)復(fù)雜困難。Broadcom公司的XLPII900網(wǎng)絡(luò)處理器[4]集成了多達(dá)80個(gè)通用CPU核(nxCPUs)，具有三級(jí)Cache存儲(chǔ)子系統(tǒng)和4個(gè)DDR3內(nèi)存控制器，采用并行處理架構(gòu)，可提供160Gbps報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)處理性能。通過(guò)集成安全加速引擎，其可支持高性能的加密、認(rèn)證以及深度報(bào)文檢測(cè)等功能。Cavium公司的OCTEONIII網(wǎng)絡(luò)處理器[5]也采用并行架構(gòu)，通過(guò)集成48個(gè)64位MIPSCPU核和大量的加速引擎，可提供100Gbps報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)處理能力，并支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)處理硬件加速。上述芯片產(chǎn)品都屬于基于通用CPU核的網(wǎng)絡(luò)處理器(GNP)，面向支持多樣化網(wǎng)絡(luò)高層協(xié)議和業(yè)務(wù)處理設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的可編程性，通?？梢灾С諧/C++高級(jí)語(yǔ)言編程，并運(yùn)行通用Linux操作系統(tǒng)，從而為開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)便捷。然而，集成度與功耗問(wèn)題嚴(yán)重制約了GNP的性能提升。從國(guó)內(nèi)來(lái)看，華為、中興等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商以及國(guó)防科大等科研院所早已基于國(guó)外成熟網(wǎng)絡(luò)處理器芯片設(shè)計(jì)了多款高性能路由器產(chǎn)品，并已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用。國(guó)防科大、西安電子科大以及清華大學(xué)等單位在國(guó)內(nèi)也較早開(kāi)展了網(wǎng)絡(luò)處理器研制，取得了一定進(jìn)展和技術(shù)積累，但與國(guó)外仍有一定差距，目前還沒(méi)有成熟的國(guó)產(chǎn)商用網(wǎng)絡(luò)處理器芯片產(chǎn)品。隨著國(guó)家戰(zhàn)略層面對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施安全及自主創(chuàng)新能力的重視，作為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的核心器件，網(wǎng)絡(luò)處理器芯片的國(guó)產(chǎn)化將是一種必然。為了選擇一條切實(shí)可行的網(wǎng)絡(luò)處理器研制的技術(shù)途徑，必須充分把握網(wǎng)絡(luò)處理器研制所面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。OFweek\o"電子工程"電子工程網(wǎng)訊誰(shuí)是新一代網(wǎng)絡(luò)的“網(wǎng)紅”？答案無(wú)疑是5G。在不久前結(jié)束的2016MWC上海，5G成為其中最耀眼的標(biāo)簽，無(wú)論是國(guó)際大T，還是電信設(shè)備提供商，抑或是芯片或測(cè)試廠商，都祭出了最新的5G大招。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和“寬帶中國(guó)”等國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)再到“萬(wàn)物互聯(lián)”的演進(jìn)，11acwave1&2WLAN的部署以及5G的呼之欲出，新一代網(wǎng)絡(luò)不斷走向匯聚融合，帶來(lái)的是不僅是對(duì)速率、成本及效率的提升，還將觸發(fā)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重構(gòu)，置身其中的網(wǎng)絡(luò)處理器和交換器芯片能否擔(dān)此重任？新一代網(wǎng)絡(luò)期待原力覺(jué)醒5G的“美好”可用1000x的容量提升、1000億+的連接支持、10GB/s的最高速度、1ms以下延遲等關(guān)鍵數(shù)值來(lái)體現(xiàn)。在2016MWC上海眾多廠商紛紛展示5G相關(guān)業(yè)務(wù)，如無(wú)人駕駛汽車(chē)、虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景等，均驗(yàn)證了5G在低時(shí)延、超高密度、超大容量等方面的優(yōu)異性能。在各方積極備戰(zhàn)的助力下，5G已然漸行漸近。為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)能夠隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)的要求，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要指標(biāo)是具有更好的靈活性以及拓展性，因而SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）和NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）將在5G核心網(wǎng)中大行其道，核心網(wǎng)與接入網(wǎng)融合、網(wǎng)絡(luò)功能重組等也將深入應(yīng)用。而這只是驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型和技術(shù)“升華”的一個(gè)新引擎，在數(shù)據(jù)中心、企業(yè)網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)、中小企業(yè)網(wǎng)等層面，隨著業(yè)務(wù)和需求的變化，網(wǎng)絡(luò)的改良升級(jí)亦是大勢(shì)所趨。如數(shù)據(jù)中心作為面向應(yīng)用的綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)和未來(lái)云計(jì)算的核心基礎(chǔ)架構(gòu)，需求日益攀升，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以每年40%以上的速度增長(zhǎng)，新一代數(shù)據(jù)中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交換架構(gòu)提出了更全面、更苛刻的要求，包括支持統(tǒng)一交換架構(gòu)、大容量及可擴(kuò)展性、轉(zhuǎn)發(fā)性能、精細(xì)化服務(wù)質(zhì)量控制（QoS）等。園區(qū)網(wǎng)亦是變化不斷。隨著業(yè)務(wù)的不斷豐富，云計(jì)算的快速發(fā)展，用戶移動(dòng)化的場(chǎng)景也越來(lái)越多，BYOD逐漸成為潮流，對(duì)園區(qū)網(wǎng)提出了諸多新需求，如要求園區(qū)網(wǎng)能夠具備端到端的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障能力，具備實(shí)時(shí)、靈活地區(qū)分和保障特定業(yè)務(wù)的能力，能夠靈活地適配業(yè)務(wù)需求等。在企業(yè)網(wǎng)層面，伴隨著的是大量企業(yè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)IT化，企業(yè)客戶對(duì)IT的投資更加活躍，大規(guī)模服務(wù)器集群、虛擬化、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的成熟等，均對(duì)企業(yè)網(wǎng)提出了更高的業(yè)務(wù)要求。可以說(shuō)，融合匯聚的新一代網(wǎng)絡(luò)已然呼之欲出，各種通信和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)將被高度融合，多種業(yè)務(wù)強(qiáng)調(diào)開(kāi)放的API接口以及靈活的配置和客戶化能力，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已然“難合時(shí)宜”。業(yè)界不約而同地引入SDN、NFV、云等新技術(shù)，打造簡(jiǎn)潔、集約、敏捷、開(kāi)放的新型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)實(shí)施和業(yè)務(wù)的虛擬化，也將再次釋放網(wǎng)絡(luò)的“原力”。在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)指引下的新一代網(wǎng)絡(luò)已“在路上”。無(wú)線和有線的融合進(jìn)程加快融合匯聚的網(wǎng)絡(luò)引發(fā)多重新挑戰(zhàn)新一代網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展，提升了對(duì)于部署橫跨整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可延展與靈活運(yùn)算解決方案的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)需求?！皩じ菰础保桓Q新一代網(wǎng)絡(luò)走向融合和匯聚的新命題，才能有的放矢地應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及服務(wù)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的是無(wú)線和有線的融合進(jìn)程加快。Marvell產(chǎn)品行銷(xiāo)負(fù)責(zé)人RazaEltejaein介紹說(shuō)，有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合加快，有線帶寬從1GbE到2.5GbE一直到10bE，無(wú)線方面從802.11N一直到11AC，之后是11AX，這一趨勢(shì)需要性能更高的網(wǎng)絡(luò)處理器來(lái)應(yīng)對(duì)。此外，2.5GbE已受到廣泛應(yīng)用，如何讓企業(yè)依然使用1GbE的基礎(chǔ)架構(gòu)，在無(wú)須架構(gòu)升級(jí)的情況下享有更大的2.5GbE或以上帶寬成為新挑戰(zhàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷深入，家庭和工業(yè)應(yīng)用中聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量海量增加，網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)也已從單純的數(shù)據(jù)通信，向語(yǔ)音、圖像、視頻等多媒體擴(kuò)展，對(duì)帶寬的要求大幅提升，對(duì)服務(wù)器及路由器的要求亦因此提高。”RazaEltejaein進(jìn)一步指出，“在這一過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)商及服務(wù)供應(yīng)商亦希望提供差異化和高附加值的服務(wù)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠性提出了越來(lái)越高的要求?！笨筛兄?、可重構(gòu)、可演進(jìn)已是新一代網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向?！耙蚨絹?lái)越多的軟件技術(shù)成為必然，用基于SDN/NFV技術(shù)的虛擬化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備取代傳統(tǒng)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可提供更加靈活高效的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為網(wǎng)絡(luò)變革提供了‘引擎’?！盧azaEltejaein分析說(shuō)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的垂直應(yīng)用越來(lái)越廣泛，安全問(wèn)題也日益嚴(yán)重，面臨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不確定性、感知層面臨的主要威脅、傳輸層和應(yīng)用層的安全隱患等，提供一套強(qiáng)大的安全體系成為業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)。而所有已部署和新部署的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，無(wú)論是在現(xiàn)場(chǎng)或云端，其安全問(wèn)題都應(yīng)該從系統(tǒng)的角度全面解決。高擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自身虛擬化能力、多業(yè)務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)融合等，所有這些問(wèn)題均需要各個(gè)擊破。而為了達(dá)到這一高企的目標(biāo)，顯然需要從“基礎(chǔ)”——網(wǎng)絡(luò)處理器和交換機(jī)芯片突破，實(shí)現(xiàn)性能更高、帶寬更大而且擴(kuò)充性更強(qiáng)的芯片，并具備加速功能、安全引擎和線載引擎才能一一化解網(wǎng)絡(luò)處理器和交換器芯片全面升級(jí)應(yīng)對(duì)“網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可擴(kuò)展性、虛擬化能力、多業(yè)務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)融合等需求，使得網(wǎng)絡(luò)處理器在集成度、擴(kuò)展性與支持SDN等方面，均需全面升級(jí)?！癕arvell公司副總裁，連接、存儲(chǔ)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)（CSI）事業(yè)部總經(jīng)理MichaelZimmerman表示。在網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)的Marvell對(duì)此專(zhuān)門(mén)推出了ARMADA7000以及8000，應(yīng)對(duì)市場(chǎng)挑戰(zhàn)。ARMADA采用Marvell開(kāi)創(chuàng)性的MoChi架構(gòu)、并以業(yè)界首款A(yù)RMCortex-A72為基礎(chǔ)的片上系統(tǒng)（SoC）系列，具有靈活的擴(kuò)展性。Marvell在Computex2016上展示的ARMADA7000/8000SoC“從帶寬來(lái)看，不僅可運(yùn)行11AC，未來(lái)它甚至可運(yùn)行11AX。還支持1GbE、2.5GbE還有10GbE，以及SATA3和USB3.0。它還集成多重10GE端口與包處理器，可為安全性及存儲(chǔ)設(shè)備提供硬件加速引擎，并可靈活配置，支持CPU以及I/O全面虛擬化，全面支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN的需求。此外，兼具整合功能，以及高度拓展性和軟件兼容性，可將彈性功能以最優(yōu)化的方式開(kāi)發(fā)，可匹配各種IP網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、企業(yè)、中小型企業(yè)等應(yīng)用?！盧azaEltejaein總結(jié)表示。在新一代網(wǎng)絡(luò)所需的交換器層面，MichaelZimmerman認(rèn)為，一方面帶寬的要求更高，需要達(dá)到2.5GbE以上的連接能力，且無(wú)需架構(gòu)升級(jí)；另一方面網(wǎng)管人員希望將整體網(wǎng)絡(luò)連接當(dāng)成為單一實(shí)體，支持物理層裝置（PHYs）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交換器跟實(shí)體側(cè)聯(lián)合的解決方案。瞄準(zhǔn)這一需求，Marvell的交換器芯片PresteraAldrin和Alleycat有備而來(lái)，提供交換器跟實(shí)體側(cè)聯(lián)合的解決方案。據(jù)介紹，Aldrin支持高達(dá)10GbE的高帶寬，可支持更寬、更大的背板連接。Aldrin是業(yè)界首個(gè)可支持16甚至到24甚至32個(gè)以上10GbE接口。而Alleycat是業(yè)界性能最高、密度最高、GbE能力最強(qiáng)的一個(gè)產(chǎn)品系列，使用NBASE-T交換器技術(shù)。它有專(zhuān)門(mén)的40GbE堆疊，是業(yè)界首個(gè)支持40GbE堆疊的產(chǎn)品。其中Alleycat3X是業(yè)界首個(gè)支持24個(gè)接口的2.5GbE交換器。Marvell在Computex2016上展示的Aldrin24通道10GE多Gig園區(qū)網(wǎng)接入/匯聚交換器尤其值得一是的是新款芯片Prestera98DX325x，搭配Marvell的88E2040quadNBASE-TPHYs，可高效支持有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合，同時(shí)將1GbE提升至2.5GbE帶寬。此外，Marvell可通過(guò)98DX325x將SDN與交換器抽象層接口引進(jìn)2.5GbE園區(qū)環(huán)境，提供完整軟件協(xié)議棧Turnkey解決方案達(dá)成私有云部署。新一代網(wǎng)絡(luò)已然在路上，準(zhǔn)備好換上新“顏值”的芯片了嗎？鏈接高端路由器四種體系架構(gòu)一、通用CPU優(yōu)點(diǎn)：功能易擴(kuò)展，理論上可以實(shí)現(xiàn)任何網(wǎng)絡(luò)功能。缺點(diǎn)：性能低用途：通用CPU一般僅用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制和管理。二、ASIC芯片優(yōu)點(diǎn)：可使用硬件方式實(shí)現(xiàn)性能極高的多種常用網(wǎng)絡(luò)功能，單顆芯片就可以實(shí)現(xiàn)幾百M(fèi)pps以上的處理能力。缺點(diǎn)：ASIC芯片一旦開(kāi)發(fā)完畢就很難繼續(xù)擴(kuò)展其他應(yīng)用，新功能的添加需要芯片研發(fā)公司花費(fèi)較長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。用途：ASIC芯片最合適應(yīng)用于處理網(wǎng)絡(luò)中的各種成熟傳統(tǒng)功能。