1、網絡處理器芯片的國產化之路2015/1/20 9:25:08 關鍵詞： 處理器芯片 處理能力 商用網絡     網絡處理器芯片主要用于構建網絡通信基礎設施平臺，對于位于網絡通信終端節點的用戶來說，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的通用處理器芯片相比，網絡處理器(Network Processor)芯片一直以來很少能夠獲得廣泛的關注。實際上，網絡處理器廣 泛應用于包括路由器、交換機等各類網絡核心設備中，它特定應用于網絡通信領域的各種任務，例如報文處理、協議分析、路由查找、防火墻以及QoS等。網絡處 理器芯片對于網絡通信基

2、礎設施的重要性，阿爾卡特朗訊公司的 Basil Alwan有一句話形容得很貼切，“網絡處理器是網絡設備最根本的基因，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”。國內外研制情況經過多年的發展，網絡處理器正逐漸替代網絡通信設備中固定功能的ASIC芯片，已成為構建網絡通信系統的戰略性核心器件。商用網絡處理器市場在不斷增長，而市場上網絡處理器芯片產品則基本上來自國外廠商。傳統網絡處理器按核心處理單元的不同可以分為兩類，即基于微核的網絡處理器(NPU)以及基于通用CPU核的網絡處理器(GNP)，主要區別如表1所示。目前，典型商用網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。上述網絡處理器通常采用多核多線程、超流水等高級體系結構，利用功能部件定制優化、深亞微米集成電路設計等技術提高報文處理性能，其中多款網絡處理器可以達到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，FP3的報文轉發處 理能力高達400Gbps。與FP3類似，Marvell公司的HX4100網絡處理器(原Xelerated公司)也采用類似的多Pipeline處理 模型，通過

4、集成數百個支持VLIW指令集的PISC(Packet Instruction set computer)專用處理器核，也可實現400Gbps線速報文處理。值得一提的是，HX4100流水線間得PISC采用同步數據流體系結構，從而避免 了控制流模型中的指令相關性對性能的影響，可確保系統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級面向任務優化的處理引擎，采用專用指令集，基于功能編程語言(FPL)開發，分組處理能力達到 240Gbps。上述芯片產品都屬于基于微核的網絡處理器，大多采用流水線方式組織，以提供極高的報文轉發處理性能，在芯

5、片功耗方面具有優勢，主要缺點是 通常僅支持微碼編程，軟件開發復雜困難。Broadcom公司的XLP II 900網絡處理器4集成了多達80個通用CPU核(nxCPUs)，具有三級 Cache存儲子系統和4個DDR3內存控制器，采用并行處理架構，可提供160Gbps報文轉發處理性能。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網絡處理器5也采用并行架構，通過集成48個64位 MIPSCPU核和大量的加速引擎，可提供100Gbps報文轉發處理能力，并支持廣泛的網絡業務處理硬件加速。上述芯片產品都屬于基于通用CPU核的網 絡處理器(

6、GNP)，面向支持多樣化網絡高層協議和業務處理設計，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，從而為開發人員帶來便捷。然而，集成度與功耗問題嚴重制約了GNP的性能提升。從國內來看，華為、中興等網絡設備廠商以及國防科大等科研院所早已基于國外成熟網絡處理器芯片設計了多款高性能路由器產品，并已經在國內外市場 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也較早開展了網絡處理器研制，取得了一定進展和技術積累，但與國外仍有一定差距，目前還 沒有成熟的國產商用網絡處理器芯片產品。隨著國家戰略層面對網絡通信基礎設施安全及自主創新能力的重視，作為構建

7、網絡通信設備的核心器件，網絡處理器芯片的國產化將是一種必然。為了選擇一條切實可行的網絡處理器研制的技術途徑，必須充分把握網絡處理器研制所面臨的挑戰和技術發展趨勢。研制挑戰與技術趨勢與通用CPU不同，網絡處理器芯片研制一方面涉及網絡通信、微電子、操作系統以及處理器體系結構等多個領域的技術，設計難度大;另一方面其處理性能必須能夠匹配飛速增長的網絡接口帶寬需求，硬性要求高。因此，網絡處理器芯片復雜度高、實現困難，其研制周期長，投入資金高昂，研發難度非常大，這也是國產商用高性能網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網絡處理器于1999年開始設計，2003年才在cisco的第一臺集

8、群路由器CRS-1中使用;而其在2008年設計完成的QFP網絡處理器前后共花費1億美金才研制成功，商用高性能網絡處理器的研制難度可見一斑。從技術發展趨勢看，隨著軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)、網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization)等技術的出現和發展，對網絡通信設備的可編程性提出更高要求。不斷演化的網絡通信業務和協議也要求構建網絡通信設備的核心 器件必須能夠易于編程開發，以期加快系統研制進度、降低開發成本并實現投資保護。基于通用CPU核的網絡處理器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，與業界高性能網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絡處理器芯片設計的性能壓力，并在系統升級、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)，高性能轉發線卡都集成多個處理芯片協同完成分組轉發處理業務。國產化技術途徑在把握了網絡處理器芯片研制挑戰以及發展趨勢的基礎上，我們認為基于國產通用多核CPU+可編程網絡處理引擎(NPE)的架構是網絡處理器芯片 國產化一條現實可行的技術途徑。實際上，網絡處理器研制與高性能CPU及通用操

11、作系統研制有很多共性技術，例如高性能RISC核設計、片上網絡、低延時高 帶寬的存儲器接口、操作系統和編譯系統等。以飛騰、龍芯為代表的國產通用多核CPU以及以麒麟為代表的國產操作系統在國家核高基等項目支持下已取得巨大突 破，其相關成果已經在國家信息系統建設中發揮重要作用。因此，有效利用國產高性能CPU和操作系統的研究成果，并對其網絡處理能力進行充分挖潛，是縮短國 產網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域設計，適用于計算密集型的應用。而網絡處理器則主要面向網絡處理領域設計，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進行網絡處理的關鍵。針對這一問題，國防科技大學課題組對網絡處理器實現模型和途徑進行 了深入研究和探索，提出應擺脫傳統以多核軟件為核心的實現模型，由可編程硬件(即NPE)定義網絡報文的處理路徑，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，實現系統性能提升。這種“硬件定義”的處理模型允許在不改變現有通用多核CPU內部架構、不對其內部實現進行特定 優化的前提下，縮短網絡處理器研制周期，降低研制成本，從而有效加速網絡處理器芯片的國產化進程。總結網絡處理器芯片作為構建網絡通信基礎設施的核心器件，其國產化必須綜合考慮芯片的設計復雜度和研制難度，準確把握技術

13、發展趨勢。我們認為，國產通用多核CPU與可編程網絡處理引擎(NPE)相結合的體系結構是解決網絡處理器“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網絡處理器R/OL，http:/www.alcatel-2Marvell Xelerated網絡處理器R/OL，3EZchip NP-5網絡處理器R/OL，4Broadcom XLP900網絡處理器R/OL，5CaviumOcteon III網絡處理器R/OL，6TianTian, Alexander Belousov. Intel下一代通信平臺數據平面解決方案，2012.12.OFweek電子工程網訊 誰是新一代網絡的“網紅”？答

14、案無疑是5G。在不久前結束的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“互聯網+”和“寬帶中國”等國家戰略的推進，傳統互聯網到移動互聯網再到 “萬物互聯”的演進，11ac wave 1&2 WLAN的部署以及5G的呼之欲出，新一代網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，還將觸發對網絡架構的重構，置身其中的網絡處理器和交換器芯片能否擔此重任？新一代網絡期待原力覺醒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以下延遲等關鍵數值來體

15、現。在2016MWC上海眾多廠商紛紛展示5G相關業務，如無人駕駛汽車、虛擬現實場景等，均驗證了5G在低時延、超高密度、超大容量等方面的優異性能。在各方積極備戰的助力下，5G已然漸行漸近。為了滿足5G網絡能夠隨時隨地接入網絡的要求，對于5G網絡構建的重要指標是具有更好的靈活性以及拓展性，因而SDN（軟件定義網絡）和NFV（網絡功能虛擬化）將在5G核心網中大行其道，核心網與接入網融合、網絡功能重組等也將深入應用。而這只是驅動網絡模型和技術“升華”的一個新引擎，在數據中心、企業網、園區網、中小企業網等層面，隨著業務和需求的變化，網絡的改良升級亦是大勢所趨。如數據中心作為面向應用的綜合業務平臺和未來云

16、計算的核心基礎架構，需求日益攀升，其網絡設備以每年40%以上的速度增長，新一代數據中心對網絡設備的交換架構提出了更全面、更苛刻的要求，包括支持統一交換架構、大容量及可擴展性、轉發性能、精細化服務質量控制（QoS）等。園區網亦是變化不斷。隨著業務的不斷豐富，云計算的快速發展，用戶移動化的場景也越來越多，BYOD逐漸成為潮流，對園區網提出了諸多新需求，如要求園區網能夠具備端到端的網絡質量保障能力，具備實時、靈活地區分和保障特定業務的能力，能夠靈活地適配業務需求等。在企業網層面，伴隨著的是大量企業關鍵業務IT化，企業客戶對IT的投資更加活躍，大規模服務器集群、虛擬化、大數據等技術的成熟等，均對企業網

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

18、以及服務轉型的挑戰。首當其沖的是無線和有線的融合進程加快。Marvell產品行銷負責人Raza Eltejaein介紹說，有線網絡與無線網絡融合加快，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絡處理器來應對。此外，2.5GbE已受到廣泛應用，如何讓企業依然使用1GbE的基礎架構，在無須架構升級的情況下享有更大的2.5GbE或以上帶寬成為新挑戰。隨著物聯網應用不斷深入，家庭和工業應用中聯網設備數量海量增加，網絡所承載的業務也已從單純的數據通信，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，這對網絡運行可靠性提出了越來越高的要求。”可感知、可重構、可演進已是新一代網絡的演進方向。“因而越來越多的軟件技術成為必然，用基于SDN/NFV技術的虛擬化網絡設備取代傳統的專用網絡設備，可提供更加靈活高效的網絡設備，為網絡變革提供了引擎。” Raza Eltejaein分析說。隨著物聯網的垂直應用越來越廣泛，安全問題也日益嚴重，面臨著網絡環境的不確定性、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界關注焦點。而所有已部署和新

20、部署的基礎設施平臺，無論是在現場或云端，其安全問題都應該從系統的角度全面解決。高擴展性、網絡設備的自身虛擬化能力、多業務支持和網絡融合等，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”網絡處理器和交換機芯片突破，實現性能更高、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絡處理器和交換器芯片全面升級應對“網絡設備的可擴展性、虛擬化能力、多業務支持和網絡融合等需求，使得網絡處理器在集成度、擴展性與支持SDN等方面，均需全面升級。“Marvell公司副總裁，連接、存儲和基礎網絡 （CSI） 事業部總經理Michael Zimmerman表示

21、。在網絡生態系統長期的設計創新經驗的Marvell對此專門推出了ARMADA 7000以及8000，應對市場挑戰。ARMADA采用Marvell開創性的MoChi架構、并以業界首款ARM Cortex-A72為基礎的片上系統（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化的方式開發，可匹配各種IP網絡、數據中心、企業、中小型企業等應用。” Raza Eltejaein總結表示。在新一代網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，且無需架構升級；另一方面網管人員希望將整體網絡連接當成為單一實體，支持物理層裝置（PHYs）等技術，實現交換器跟實體側聯合的解決方案。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 跟實體側聯合的解決方案。據介紹，Aldrin支持高達10GbE的高帶寬，可支持更寬、更大的背板連接。Aldrin是業界首個可支持16甚至到24甚至32個以上10GbE接口。而Alleycat是業界性能最高、密度最高、GbE能力最強的一個產品系列，使用NBASE-T交換器技術。它有專門的40GbE堆疊，是業界首個支持40GbE堆疊的產品。其中Alleycat3X是業界首個支持24個