網(wǎng)絡處理器芯片的國產(chǎn)化之路

1、網(wǎng)絡處理器芯片的國產(chǎn)化之路2015/1/20 9:25:08 關(guān)鍵詞： 處理器芯片 處理能力 商用網(wǎng)絡     網(wǎng)絡處理器芯片主要用于構(gòu)建網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設(shè)施平臺，對于位于網(wǎng)絡通信終端節(jié)點的用戶來說，通常是透明而不可見的。因此，與通用CPU以及嵌入式CPU等大眾電子消費密切相關(guān)的通用處理器芯片相比，網(wǎng)絡處理器(Network Processor)芯片一直以來很少能夠獲得廣泛的關(guān)注。實際上，網(wǎng)絡處理器廣 泛應用于包括路由器、交換機等各類網(wǎng)絡核心設(shè)備中，它特定應用于網(wǎng)絡通信領(lǐng)域的各種任務，例如報文處理、協(xié)議分析、路由查找、防火墻以及QoS等。網(wǎng)絡處 理器芯片對于網(wǎng)絡通信基

2、礎(chǔ)設(shè)施的重要性，阿爾卡特朗訊公司的 Basil Alwan有一句話形容得很貼切，“網(wǎng)絡處理器是網(wǎng)絡設(shè)備最根本的基因，它定義了路由器平臺的能力、可擴展性以及面向未來演化的可能性1”。國內(nèi)外研制情況經(jīng)過多年的發(fā)展，網(wǎng)絡處理器正逐漸替代網(wǎng)絡通信設(shè)備中固定功能的ASIC芯片，已成為構(gòu)建網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的戰(zhàn)略性核心器件。商用網(wǎng)絡處理器市場在不斷增長，而市場上網(wǎng)絡處理器芯片產(chǎn)品則基本上來自國外廠商。傳統(tǒng)網(wǎng)絡處理器按核心處理單元的不同可以分為兩類，即基于微核的網(wǎng)絡處理器(NPU)以及基于通用CPU核的網(wǎng)絡處理器(GNP)，主要區(qū)別如表1所示。目前，典型商用網(wǎng)絡處理器芯片包括阿爾卡特朗訊的FP系列1、Marvel

3、l 公司的Xelerated系列2、EZchip的NP系列3等。上述網(wǎng)絡處理器通常采用多核多線程、超流水等高級體系結(jié)構(gòu)，利用功能部件定制優(yōu)化、深亞微米集成電路設(shè)計等技術(shù)提高報文處理性能，其中多款網(wǎng)絡處理器可以達到400Gbps報文處理要求。阿爾卡特朗訊公司的FP3網(wǎng)絡處理器集成共288個RISC Core，主頻可達1GHz，其中每32個Core為一個Cluster，共9個Cluster。它采用多Pipeline處理模型，F(xiàn)P3的報文轉(zhuǎn)發(fā)處 理能力高達400Gbps。與FP3類似，Marvell公司的HX4100網(wǎng)絡處理器(原Xelerated公司)也采用類似的多Pipeline處理 模型，通過

4、集成數(shù)百個支持VLIW指令集的PISC(Packet Instruction set computer)專用處理器核，也可實現(xiàn)400Gbps線速報文處理。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Functional Pipeline處理模型，處理流程映射到4級面向任務優(yōu)化的處理引擎，采用專用指令集，基于功能編程語言(FPL)開發(fā)，分組處理能力達到 240Gbps。上述芯片產(chǎn)品都屬于基于微核的網(wǎng)絡處理器，大多采用流水線方式組織，以提供極高的報文轉(zhuǎn)發(fā)處理性能，在芯

5、片功耗方面具有優(yōu)勢，主要缺點是 通常僅支持微碼編程，軟件開發(fā)復雜困難。Broadcom公司的XLP II 900網(wǎng)絡處理器4集成了多達80個通用CPU核(nxCPUs)，具有三級 Cache存儲子系統(tǒng)和4個DDR3內(nèi)存控制器，采用并行處理架構(gòu)，可提供160Gbps報文轉(zhuǎn)發(fā)處理性能。通過集成安全加速引擎，其可支持高性能的加 密、認證以及深度報文檢測等功能。Cavium公司的OCTEON III網(wǎng)絡處理器5也采用并行架構(gòu)，通過集成48個64位 MIPSCPU核和大量的加速引擎，可提供100Gbps報文轉(zhuǎn)發(fā)處理能力，并支持廣泛的網(wǎng)絡業(yè)務處理硬件加速。上述芯片產(chǎn)品都屬于基于通用CPU核的網(wǎng) 絡處理器(

6、GNP)，面向支持多樣化網(wǎng)絡高層協(xié)議和業(yè)務處理設(shè)計，具有較強的可編程性，通常可以支持C/C+高級語言編程，并運行通用Linux操作系 統(tǒng)，從而為開發(fā)人員帶來便捷。然而，集成度與功耗問題嚴重制約了GNP的性能提升。從國內(nèi)來看，華為、中興等網(wǎng)絡設(shè)備廠商以及國防科大等科研院所早已基于國外成熟網(wǎng)絡處理器芯片設(shè)計了多款高性能路由器產(chǎn)品，并已經(jīng)在國內(nèi)外市場 上得到廣泛應用。國防科大、西安電子科大以及清華大學等單位在國內(nèi)也較早開展了網(wǎng)絡處理器研制，取得了一定進展和技術(shù)積累，但與國外仍有一定差距，目前還 沒有成熟的國產(chǎn)商用網(wǎng)絡處理器芯片產(chǎn)品。隨著國家戰(zhàn)略層面對網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設(shè)施安全及自主創(chuàng)新能力的重視，作為構(gòu)建

7、網(wǎng)絡通信設(shè)備的核心器件，網(wǎng)絡處理器芯片的國產(chǎn)化將是一種必然。為了選擇一條切實可行的網(wǎng)絡處理器研制的技術(shù)途徑，必須充分把握網(wǎng)絡處理器研制所面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)發(fā)展趨勢。研制挑戰(zhàn)與技術(shù)趨勢與通用CPU不同，網(wǎng)絡處理器芯片研制一方面涉及網(wǎng)絡通信、微電子、操作系統(tǒng)以及處理器體系結(jié)構(gòu)等多個領(lǐng)域的技術(shù)，設(shè)計難度大;另一方面其處理性能必須能夠匹配飛速增長的網(wǎng)絡接口帶寬需求，硬性要求高。因此，網(wǎng)絡處理器芯片復雜度高、實現(xiàn)困難，其研制周期長，投入資金高昂，研發(fā)難度非常大，這也是國產(chǎn)商用高性能網(wǎng)絡處理器遲遲未取得突破的重要原因。以思科公司為例，其SPP網(wǎng)絡處理器于1999年開始設(shè)計，2003年才在cisco的第一臺集

8、群路由器CRS-1中使用;而其在2008年設(shè)計完成的QFP網(wǎng)絡處理器前后共花費1億美金才研制成功，商用高性能網(wǎng)絡處理器的研制難度可見一斑。從技術(shù)發(fā)展趨勢看，隨著軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network，SDN)、網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Function Virtualization)等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對網(wǎng)絡通信設(shè)備的可編程性提出更高要求。不斷演化的網(wǎng)絡通信業(yè)務和協(xié)議也要求構(gòu)建網(wǎng)絡通信設(shè)備的核心 器件必須能夠易于編程開發(fā)，以期加快系統(tǒng)研制進度、降低開發(fā)成本并實現(xiàn)投資保護。基于通用CPU核的網(wǎng)絡處理器GNP雖然提供高度的可編程性支持，然而在功耗及芯片集成度方面的天然

9、劣勢使其難以滿足飛速增長的網(wǎng)絡通信帶寬的需求。針對上述問題，Intel公司提出未來的通信處理平臺應該以通用多核CPU為核心，采用芯片組方式，從而在性能與可編程性間獲得完美折衷。Intel的Crystal Forest通信處理平臺6采 用雙Xeon處理器作為分組處理的主要功能單元，通過集成片外QuickAssist加速器，將DPI、加解密以及解壓縮等常用的分組處理功能卸載到 QuickAssist加速器中。從軟件層面看，QuickAssist通過提供加速器抽象層，隔離各種物理實體，從而允許上層軟件都通過統(tǒng)一接口訪問多 樣化的硬件加速器。雖然，Crystal Forest通信平臺目前僅可以支持約1

10、00Gbps的流量的線速處理，與業(yè)界高性能網(wǎng)絡處理器有一定差距，但是我們認為Intel提出的基于通用多核 CPU的多芯片解決方案值得思考和借鑒。多芯片解決方案可以有效緩解對網(wǎng)絡處理器芯片設(shè)計的性能壓力，并在系統(tǒng)升級、部署方面提供更大的靈活性。在思科以 及阿爾卡特朗訊最近推出的高性能核心路由器中(例如思科CRS-3)，高性能轉(zhuǎn)發(fā)線卡都集成多個處理芯片協(xié)同完成分組轉(zhuǎn)發(fā)處理業(yè)務。國產(chǎn)化技術(shù)途徑在把握了網(wǎng)絡處理器芯片研制挑戰(zhàn)以及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，我們認為基于國產(chǎn)通用多核CPU+可編程網(wǎng)絡處理引擎(NPE)的架構(gòu)是網(wǎng)絡處理器芯片 國產(chǎn)化一條現(xiàn)實可行的技術(shù)途徑。實際上，網(wǎng)絡處理器研制與高性能CPU及通用操

11、作系統(tǒng)研制有很多共性技術(shù)，例如高性能RISC核設(shè)計、片上網(wǎng)絡、低延時高 帶寬的存儲器接口、操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)等。以飛騰、龍芯為代表的國產(chǎn)通用多核CPU以及以麒麟為代表的國產(chǎn)操作系統(tǒng)在國家核高基等項目支持下已取得巨大突 破，其相關(guān)成果已經(jīng)在國家信息系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。因此，有效利用國產(chǎn)高性能CPU和操作系統(tǒng)的研究成果，并對其網(wǎng)絡處理能力進行充分挖潛，是縮短國 產(chǎn)網(wǎng)絡處理器芯片研制周期，降低研制成本和風險的有效途徑。然而，通用多核CPU主要面向通用計算領(lǐng)域設(shè)計，適用于計算密集型的應用。而網(wǎng)絡處理器則主要面向網(wǎng)絡處理領(lǐng)域設(shè)計，適用于訪存密集型應用。如 何提高通用CPU的訪存計算比(MCR)是決定

12、能否利用通用CPU進行網(wǎng)絡處理的關(guān)鍵。針對這一問題，國防科技大學課題組對網(wǎng)絡處理器實現(xiàn)模型和途徑進行 了深入研究和探索，提出應擺脫傳統(tǒng)以多核軟件為核心的實現(xiàn)模型，由可編程硬件(即NPE)定義網(wǎng)絡報文的處理路徑，并對性能敏感的功能進行硬化卸載，從而 有效降低通用多核CPU軟件的處理壓力，實現(xiàn)系統(tǒng)性能提升。這種“硬件定義”的處理模型允許在不改變現(xiàn)有通用多核CPU內(nèi)部架構(gòu)、不對其內(nèi)部實現(xiàn)進行特定 優(yōu)化的前提下，縮短網(wǎng)絡處理器研制周期，降低研制成本，從而有效加速網(wǎng)絡處理器芯片的國產(chǎn)化進程?？偨Y(jié)網(wǎng)絡處理器芯片作為構(gòu)建網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設(shè)施的核心器件，其國產(chǎn)化必須綜合考慮芯片的設(shè)計復雜度和研制難度，準確把握技術(shù)

13、發(fā)展趨勢。我們認為，國產(chǎn)通用多核CPU與可編程網(wǎng)絡處理引擎(NPE)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)是解決網(wǎng)絡處理器“中國芯”的問題的一條希望之路。參考文獻：1 阿爾卡特朗訊FP3網(wǎng)絡處理器R/OL，http:/www.alcatel-2Marvell Xelerated網(wǎng)絡處理器R/OL，3EZchip NP-5網(wǎng)絡處理器R/OL，4Broadcom XLP900網(wǎng)絡處理器R/OL，5CaviumOcteon III網(wǎng)絡處理器R/OL，6TianTian, Alexander Belousov. Intel下一代通信平臺數(shù)據(jù)平面解決方案，2012.12.OFweek電子工程網(wǎng)訊 誰是新一代網(wǎng)絡的“網(wǎng)紅”？答

14、案無疑是5G。在不久前結(jié)束的2016MWC上海，5G成為其中最耀眼的標簽，無論是國際大T，還是電信設(shè)備提供商，抑或是芯片或測試廠商，都祭出了最新的5G大招。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和“寬帶中國”等國家戰(zhàn)略的推進，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)到移動互聯(lián)網(wǎng)再到 “萬物互聯(lián)”的演進，11ac wave 1&2 WLAN的部署以及5G的呼之欲出，新一代網(wǎng)絡不斷走向匯聚融合，帶來的是不僅是對速率、成本及效率的提升，還將觸發(fā)對網(wǎng)絡架構(gòu)的重構(gòu)，置身其中的網(wǎng)絡處理器和交換器芯片能否擔此重任？新一代網(wǎng)絡期待原力覺醒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)值來體

15、現(xiàn)。在2016MWC上海眾多廠商紛紛展示5G相關(guān)業(yè)務，如無人駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實場景等，均驗證了5G在低時延、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)絡能夠隨時隨地接入網(wǎng)絡的要求，對于5G網(wǎng)絡構(gòu)建的重要指標是具有更好的靈活性以及拓展性，因而SDN（軟件定義網(wǎng)絡）和NFV（網(wǎng)絡功能虛擬化）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)絡功能重組等也將深入應用。而這只是驅(qū)動網(wǎng)絡模型和技術(shù)“升華”的一個新引擎，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)務和需求的變化，網(wǎng)絡的改良升級亦是大勢所趨。如數(shù)據(jù)中心作為面向應用的綜合業(yè)務平臺和未來云

16、計算的核心基礎(chǔ)架構(gòu)，需求日益攀升，其網(wǎng)絡設(shè)備以每年40%以上的速度增長，新一代數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡設(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)、大容量及可擴展性、轉(zhuǎn)發(fā)性能、精細化服務質(zhì)量控制（QoS）等。園區(qū)網(wǎng)亦是變化不斷。隨著業(yè)務的不斷豐富，云計算的快速發(fā)展，用戶移動化的場景也越來越多，BYOD逐漸成為潮流，對園區(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)絡質(zhì)量保障能力，具備實時、靈活地區(qū)分和保障特定業(yè)務的能力，能夠靈活地適配業(yè)務需求等。在企業(yè)網(wǎng)層面，伴隨著的是大量企業(yè)關(guān)鍵業(yè)務IT化，企業(yè)客戶對IT的投資更加活躍，大規(guī)模服務器集群、虛擬化、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的成熟等，均對企業(yè)網(wǎng)

17、提出了更高的業(yè)務要求?？梢哉f，融合匯聚的新一代網(wǎng)絡已然呼之欲出，各種通信和網(wǎng)絡業(yè)務將被高度融合，多種業(yè)務強調(diào)開放的API接口以及靈活的配置和客戶化能力，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)已然“難合時宜”。業(yè)界不約而同地引入SDN、NFV、云等新技術(shù)，打造簡潔、集約、敏捷、開放的新型網(wǎng)絡，實現(xiàn)多種網(wǎng)絡實施和業(yè)務的虛擬化，也將再次釋放網(wǎng)絡的“原力”。在網(wǎng)絡重構(gòu)指引下的新一代網(wǎng)絡已“在路上”。無線和有線的融合進程加快融合匯聚的網(wǎng)絡引發(fā)多重新挑戰(zhàn)新一代網(wǎng)絡融合的發(fā)展，提升了對于部署橫跨整個網(wǎng)絡的可延展與靈活運算解決方案的網(wǎng)絡基礎(chǔ)建設(shè)需求?！皩じ菰础?，一窺新一代網(wǎng)絡走向融合和匯聚的新命題，才能有的放矢地應對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)

18、以及服務轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。首當其沖的是無線和有線的融合進程加快。Marvell產(chǎn)品行銷負責人Raza Eltejaein介紹說，有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡融合加快，有線帶寬從1 GbE到2.5 GbE一直到10bE，無線方面從802.11N一直到11AC，之后是11AX，這一趨勢需要性能更高的網(wǎng)絡處理器來應對。此外，2.5GbE已受到廣泛應用，如何讓企業(yè)依然使用1GbE的基礎(chǔ)架構(gòu)，在無須架構(gòu)升級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)應用不斷深入，家庭和工業(yè)應用中聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量海量增加，網(wǎng)絡所承載的業(yè)務也已從單純的數(shù)據(jù)通信，向語音、圖像、視頻等多媒體擴展，對帶寬的要求大幅提升，對服務器及

19、路由器的要求亦因此提高?！?Raza Eltejaein進一步指出，“在這一過程中，運營商及服務供應商亦希望提供差異化和高附加值的服務，這對網(wǎng)絡運行可靠性提出了越來越高的要求。”可感知、可重構(gòu)、可演進已是新一代網(wǎng)絡的演進方向。“因而越來越多的軟件技術(shù)成為必然，用基于SDN/NFV技術(shù)的虛擬化網(wǎng)絡設(shè)備取代傳統(tǒng)的專用網(wǎng)絡設(shè)備，可提供更加靈活高效的網(wǎng)絡設(shè)備，為網(wǎng)絡變革提供了引擎?！?Raza Eltejaein分析說。隨著物聯(lián)網(wǎng)的垂直應用越來越廣泛，安全問題也日益嚴重，面臨著網(wǎng)絡環(huán)境的不確定性、感知層面臨的主要威脅、傳輸層和應用層的安全隱患等，提供一套強大的安全體系成為業(yè)界關(guān)注焦點。而所有已部署和新

20、部署的基礎(chǔ)設(shè)施平臺，無論是在現(xiàn)場或云端，其安全問題都應該從系統(tǒng)的角度全面解決。高擴展性、網(wǎng)絡設(shè)備的自身虛擬化能力、多業(yè)務支持和網(wǎng)絡融合等，所有這些問題均需要各個擊破。而為了達到這一高企的目標，顯然需要從“基礎(chǔ)”網(wǎng)絡處理器和交換機芯片突破，實現(xiàn)性能更高、帶寬更大而且擴充性更強的芯片，并具備加速功能、安全引擎和線載引擎才能一一化解網(wǎng)絡處理器和交換器芯片全面升級應對“網(wǎng)絡設(shè)備的可擴展性、虛擬化能力、多業(yè)務支持和網(wǎng)絡融合等需求，使得網(wǎng)絡處理器在集成度、擴展性與支持SDN等方面，均需全面升級?！癕arvell公司副總裁，連接、存儲和基礎(chǔ)網(wǎng)絡 （CSI） 事業(yè)部總經(jīng)理Michael Zimmerman表示

21、。在網(wǎng)絡生態(tài)系統(tǒng)長期的設(shè)計創(chuàng)新經(jīng)驗的Marvell對此專門推出了ARMADA 7000以及8000，應對市場挑戰(zhàn)。ARMADA采用Marvell開創(chuàng)性的MoChi架構(gòu)、并以業(yè)界首款ARM Cortex-A72為基礎(chǔ)的片上系統(tǒng)（SoC）系列，具有靈活的擴展性。Marvell 在Computex2016上展示的ARMADA 7000/8000 SoC“從帶寬來看，不僅可運行11AC，未來它甚至可運行11AX。還支持1 GbE、2.5 GbE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

22、虛擬化，全面支持軟件定義網(wǎng)絡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)化的方式開發(fā)，可匹配各種IP網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心、企業(yè)、中小型企業(yè)等應用?！?Raza Eltejaein總結(jié)表示。在新一代網(wǎng)絡所需的交換器層面，Michael Zimmerman認為，一方面帶寬的要求更高，需要達到2.5GbE以上的連接能力，且無需架構(gòu)升級；另一方面網(wǎng)管人員希望將整體網(wǎng)絡連接當成為單一實體，支持物理層裝置（PHYs）等技術(shù)，實現(xiàn)交換器跟實體側(cè)聯(lián)合的解決方案。瞄準這一需求，Marvell的交換器芯片Prestera Aldrin和Alleycat有備而來，提供交換器 跟實體側(cè)聯(lián)合的解決方案。據(jù)介紹，Aldrin支持高達10GbE的高帶寬，可支持更寬、更大的背板連接。Aldrin是業(yè)界首個可支持16甚至到24甚至32個以上10GbE接口。而Alleycat是業(yè)界性能最高、密度最高、GbE能力最強的一個產(chǎn)品系列，使用NBASE-T交換器技術(shù)。它有專門的40GbE堆疊，是業(yè)界首個支持40GbE堆疊的產(chǎn)品。其中Alleycat3X是業(yè)界首個支持24個