网络处理器芯片的国产化之路

1、网络处理器芯片的国产化之路2015/1/20 9:25:08 关键词： 处理器芯片 处理能力 商用网络     网络处理器芯片主要用于构建网络通信基础设施平台，对于位于网络通信终端节点的用户来说，通常是透明而不可见的。因此，与通用CPU以及嵌入式CPU等大众电子消费密切相关的通用处理器芯片相比，网络处理器(Network Processor)芯片一直以来很少能够获得广泛的关注。实际上，网络处理器广 泛应用于包括路由器、交换机等各类网络核心设备中，它特定应用于网络通信领域的各种任务，例如报文处理、协议分析、路由查找、防火墙以及QoS等。网络处 理器芯片对于网络通信基

2、础设施的重要性，阿尔卡特朗讯公司的 Basil Alwan有一句话形容得很贴切，“网络处理器是网络设备最根本的基因，它定义了路由器平台的能力、可扩展性以及面向未来演化的可能性1”。国内外研制情况经过多年的发展，网络处理器正逐渐替代网络通信设备中固定功能的ASIC芯片，已成为构建网络通信系统的战略性核心器件。商用网络处理器市场在不断增长，而市场上网络处理器芯片产品则基本上来自国外厂商。传统网络处理器按核心处理单元的不同可以分为两类，即基于微核的网络处理器(NPU)以及基于通用CPU核的网络处理器(GNP)，主要区别如表1所示。目前，典型商用网络处理器芯片包括阿尔卡特朗讯的FP系列1、Marvel

3、l 公司的Xelerated系列2、EZchip的NP系列3等。上述网络处理器通常采用多核多线程、超流水等高级体系结构，利用功能部件定制优化、深亚微米集成电路设计等技术提高报文处理性能，其中多款网络处理器可以达到400Gbps报文处理要求。阿尔卡特朗讯公司的FP3网络处理器集成共288个RISC Core，主频可达1GHz，其中每32个Core为一个Cluster，共9个Cluster。它采用多Pipeline处理模型，FP3的报文转发处 理能力高达400Gbps。与FP3类似，Marvell公司的HX4100网络处理器(原Xelerated公司)也采用类似的多Pipeline处理 模型，通过

4、集成数百个支持VLIW指令集的PISC(Packet Instruction set computer)专用处理器核，也可实现400Gbps线速报文处理。值得一提的是，HX4100流水线间得PISC采用同步数据流体系结构，从而避免 了控制流模型中的指令相关性对性能的影响，可确保系统获得确定性的处理性能。EZchip的NP-5采用Functional Pipeline处理模型，处理流程映射到4级面向任务优化的处理引擎，采用专用指令集，基于功能编程语言(FPL)开发，分组处理能力达到 240Gbps。上述芯片产品都属于基于微核的网络处理器，大多采用流水线方式组织，以提供极高的报文转发处理性能，在芯

5、片功耗方面具有优势，主要缺点是 通常仅支持微码编程，软件开发复杂困难。Broadcom公司的XLP II 900网络处理器4集成了多达80个通用CPU核(nxCPUs)，具有三级 Cache存储子系统和4个DDR3内存控制器，采用并行处理架构，可提供160Gbps报文转发处理性能。通过集成安全加速引擎，其可支持高性能的加 密、认证以及深度报文检测等功能。Cavium公司的OCTEON III网络处理器5也采用并行架构，通过集成48个64位 MIPSCPU核和大量的加速引擎，可提供100Gbps报文转发处理能力，并支持广泛的网络业务处理硬件加速。上述芯片产品都属于基于通用CPU核的网 络处理器(

6、GNP)，面向支持多样化网络高层协议和业务处理设计，具有较强的可编程性，通常可以支持C/C+高级语言编程，并运行通用Linux操作系 统，从而为开发人员带来便捷。然而，集成度与功耗问题严重制约了GNP的性能提升。从国内来看，华为、中兴等网络设备厂商以及国防科大等科研院所早已基于国外成熟网络处理器芯片设计了多款高性能路由器产品，并已经在国内外市场 上得到广泛应用。国防科大、西安电子科大以及清华大学等单位在国内也较早开展了网络处理器研制，取得了一定进展和技术积累，但与国外仍有一定差距，目前还 没有成熟的国产商用网络处理器芯片产品。随着国家战略层面对网络通信基础设施安全及自主创新能力的重视，作为构建

7、网络通信设备的核心器件，网络处理器芯片的国产化将是一种必然。为了选择一条切实可行的网络处理器研制的技术途径，必须充分把握网络处理器研制所面临的挑战和技术发展趋势。研制挑战与技术趋势与通用CPU不同，网络处理器芯片研制一方面涉及网络通信、微电子、操作系统以及处理器体系结构等多个领域的技术，设计难度大;另一方面其处理性能必须能够匹配飞速增长的网络接口带宽需求，硬性要求高。因此，网络处理器芯片复杂度高、实现困难，其研制周期长，投入资金高昂，研发难度非常大，这也是国产商用高性能网络处理器迟迟未取得突破的重要原因。以思科公司为例，其SPP网络处理器于1999年开始设计，2003年才在cisco的第一台集

8、群路由器CRS-1中使用;而其在2008年设计完成的QFP网络处理器前后共花费1亿美金才研制成功，商用高性能网络处理器的研制难度可见一斑。从技术发展趋势看，随着软件定义网络(Software Defined Network，SDN)、网络功能虚拟化(Network Function Virtualization)等技术的出现和发展，对网络通信设备的可编程性提出更高要求。不断演化的网络通信业务和协议也要求构建网络通信设备的核心 器件必须能够易于编程开发，以期加快系统研制进度、降低开发成本并实现投资保护。基于通用CPU核的网络处理器GNP虽然提供高度的可编程性支持，然而在功耗及芯片集成度方面的天然

9、劣势使其难以满足飞速增长的网络通信带宽的需求。针对上述问题，Intel公司提出未来的通信处理平台应该以通用多核CPU为核心，采用芯片组方式，从而在性能与可编程性间获得完美折衷。Intel的Crystal Forest通信处理平台6采 用双Xeon处理器作为分组处理的主要功能单元，通过集成片外QuickAssist加速器，将DPI、加解密以及解压缩等常用的分组处理功能卸载到 QuickAssist加速器中。从软件层面看，QuickAssist通过提供加速器抽象层，隔离各种物理实体，从而允许上层软件都通过统一接口访问多 样化的硬件加速器。虽然，Crystal Forest通信平台目前仅可以支持约1

10、00Gbps的流量的线速处理，与业界高性能网络处理器有一定差距，但是我们认为Intel提出的基于通用多核 CPU的多芯片解决方案值得思考和借鉴。多芯片解决方案可以有效缓解对网络处理器芯片设计的性能压力，并在系统升级、部署方面提供更大的灵活性。在思科以 及阿尔卡特朗讯最近推出的高性能核心路由器中(例如思科CRS-3)，高性能转发线卡都集成多个处理芯片协同完成分组转发处理业务。国产化技术途径在把握了网络处理器芯片研制挑战以及发展趋势的基础上，我们认为基于国产通用多核CPU+可编程网络处理引擎(NPE)的架构是网络处理器芯片 国产化一条现实可行的技术途径。实际上，网络处理器研制与高性能CPU及通用操

11、作系统研制有很多共性技术，例如高性能RISC核设计、片上网络、低延时高 带宽的存储器接口、操作系统和编译系统等。以飞腾、龙芯为代表的国产通用多核CPU以及以麒麟为代表的国产操作系统在国家核高基等项目支持下已取得巨大突 破，其相关成果已经在国家信息系统建设中发挥重要作用。因此，有效利用国产高性能CPU和操作系统的研究成果，并对其网络处理能力进行充分挖潜，是缩短国 产网络处理器芯片研制周期，降低研制成本和风险的有效途径。然而，通用多核CPU主要面向通用计算领域设计，适用于计算密集型的应用。而网络处理器则主要面向网络处理领域设计，适用于访存密集型应用。如 何提高通用CPU的访存计算比(MCR)是决定

12、能否利用通用CPU进行网络处理的关键。针对这一问题，国防科技大学课题组对网络处理器实现模型和途径进行 了深入研究和探索，提出应摆脱传统以多核软件为核心的实现模型，由可编程硬件(即NPE)定义网络报文的处理路径，并对性能敏感的功能进行硬化卸载，从而 有效降低通用多核CPU软件的处理压力，实现系统性能提升。这种“硬件定义”的处理模型允许在不改变现有通用多核CPU内部架构、不对其内部实现进行特定 优化的前提下，缩短网络处理器研制周期，降低研制成本，从而有效加速网络处理器芯片的国产化进程。总结网络处理器芯片作为构建网络通信基础设施的核心器件，其国产化必须综合考虑芯片的设计复杂度和研制难度，准确把握技术

13、发展趋势。我们认为，国产通用多核CPU与可编程网络处理引擎(NPE)相结合的体系结构是解决网络处理器“中国芯”的问题的一条希望之路。参考文献：1 阿尔卡特朗讯FP3网络处理器R/OL，http:/www.alcatel-2Marvell Xelerated网络处理器R/OL，3EZchip NP-5网络处理器R/OL，4Broadcom XLP900网络处理器R/OL，5CaviumOcteon III网络处理器R/OL，6TianTian, Alexander Belousov. Intel下一代通信平台数据平面解决方案，2012.12.OFweek电子工程网讯 谁是新一代网络的“网红”？答

14、案无疑是5G。在不久前结束的2016MWC上海，5G成为其中最耀眼的标签，无论是国际大T，还是电信设备提供商，抑或是芯片或测试厂商，都祭出了最新的5G大招。随着“互联网+”和“宽带中国”等国家战略的推进，传统互联网到移动互联网再到 “万物互联”的演进，11ac wave 1&2 WLAN的部署以及5G的呼之欲出，新一代网络不断走向汇聚融合，带来的是不仅是对速率、成本及效率的提升，还将触发对网络架构的重构，置身其中的网络处理器和交换器芯片能否担此重任？新一代网络期待原力觉醒5G的“美好”可用1000x的容量提升、1000亿+的连接支持、10GB/s的最高速度、1ms以下延迟等关键数值来体

15、现。在2016MWC上海众多厂商纷纷展示5G相关业务，如无人驾驶汽车、虚拟现实场景等，均验证了5G在低时延、超高密度、超大容量等方面的优异性能。在各方积极备战的助力下，5G已然渐行渐近。为了满足5G网络能够随时随地接入网络的要求，对于5G网络构建的重要指标是具有更好的灵活性以及拓展性，因而SDN（软件定义网络）和NFV（网络功能虚拟化）将在5G核心网中大行其道，核心网与接入网融合、网络功能重组等也将深入应用。而这只是驱动网络模型和技术“升华”的一个新引擎，在数据中心、企业网、园区网、中小企业网等层面，随着业务和需求的变化，网络的改良升级亦是大势所趋。如数据中心作为面向应用的综合业务平台和未来云

16、计算的核心基础架构，需求日益攀升，其网络设备以每年40%以上的速度增长，新一代数据中心对网络设备的交换架构提出了更全面、更苛刻的要求，包括支持统一交换架构、大容量及可扩展性、转发性能、精细化服务质量控制（QoS）等。园区网亦是变化不断。随着业务的不断丰富，云计算的快速发展，用户移动化的场景也越来越多，BYOD逐渐成为潮流，对园区网提出了诸多新需求，如要求园区网能够具备端到端的网络质量保障能力，具备实时、灵活地区分和保障特定业务的能力，能够灵活地适配业务需求等。在企业网层面，伴随着的是大量企业关键业务IT化，企业客户对IT的投资更加活跃，大规模服务器集群、虚拟化、大数据等技术的成熟等，均对企业网

17、提出了更高的业务要求。可以说，融合汇聚的新一代网络已然呼之欲出，各种通信和网络业务将被高度融合，多种业务强调开放的API接口以及灵活的配置和客户化能力，传统的网络架构已然“难合时宜”。业界不约而同地引入SDN、NFV、云等新技术，打造简洁、集约、敏捷、开放的新型网络，实现多种网络实施和业务的虚拟化，也将再次释放网络的“原力”。在网络重构指引下的新一代网络已“在路上”。无线和有线的融合进程加快融合汇聚的网络引发多重新挑战新一代网络融合的发展，提升了对于部署横跨整个网络的可延展与灵活运算解决方案的网络基础建设需求。“寻根溯源”，一窥新一代网络走向融合和汇聚的新命题，才能有的放矢地应对传统的网络架构

18、以及服务转型的挑战。首当其冲的是无线和有线的融合进程加快。Marvell产品行销负责人Raza Eltejaein介绍说，有线网络与无线网络融合加快，有线带宽从1 GbE到2.5 GbE一直到10bE，无线方面从802.11N一直到11AC，之后是11AX，这一趋势需要性能更高的网络处理器来应对。此外，2.5GbE已受到广泛应用，如何让企业依然使用1GbE的基础架构，在无须架构升级的情况下享有更大的2.5GbE或以上带宽成为新挑战。随着物联网应用不断深入，家庭和工业应用中联网设备数量海量增加，网络所承载的业务也已从单纯的数据通信，向语音、图像、视频等多媒体扩展，对带宽的要求大幅提升，对服务器及

19、路由器的要求亦因此提高。” Raza Eltejaein进一步指出，“在这一过程中，运营商及服务供应商亦希望提供差异化和高附加值的服务，这对网络运行可靠性提出了越来越高的要求。”可感知、可重构、可演进已是新一代网络的演进方向。“因而越来越多的软件技术成为必然，用基于SDN/NFV技术的虚拟化网络设备取代传统的专用网络设备，可提供更加灵活高效的网络设备，为网络变革提供了引擎。” Raza Eltejaein分析说。随着物联网的垂直应用越来越广泛，安全问题也日益严重，面临着网络环境的不确定性、感知层面临的主要威胁、传输层和应用层的安全隐患等，提供一套强大的安全体系成为业界关注焦点。而所有已部署和新

20、部署的基础设施平台，无论是在现场或云端，其安全问题都应该从系统的角度全面解决。高扩展性、网络设备的自身虚拟化能力、多业务支持和网络融合等，所有这些问题均需要各个击破。而为了达到这一高企的目标，显然需要从“基础”网络处理器和交换机芯片突破，实现性能更高、带宽更大而且扩充性更强的芯片，并具备加速功能、安全引擎和线载引擎才能一一化解网络处理器和交换器芯片全面升级应对“网络设备的可扩展性、虚拟化能力、多业务支持和网络融合等需求，使得网络处理器在集成度、扩展性与支持SDN等方面，均需全面升级。“Marvell公司副总裁，连接、存储和基础网络 （CSI） 事业部总经理Michael Zimmerman表示

21、。在网络生态系统长期的设计创新经验的Marvell对此专门推出了ARMADA 7000以及8000，应对市场挑战。ARMADA采用Marvell开创性的MoChi架构、并以业界首款ARM Cortex-A72为基础的片上系统（SoC）系列，具有灵活的扩展性。Marvell 在Computex2016上展示的ARMADA 7000/8000 SoC“从带宽来看，不仅可运行11AC，未来它甚至可运行11AX。还支持1 GbE、2.5 GbE还有10GbE，以及SATA3和 USB3.0。它还集成多重10GE端口与包处理器，可为安全性及存储设备提供硬件加速引擎，并可灵活配置，支持CPU以及I/O全面

22、虚拟化，全面支持软件定义网络SDN的需求。此外，兼具整合功能，以及高度拓展性和软件兼容性，可将弹性功能以最优化的方式开发，可匹配各种IP网络、数据中心、企业、中小型企业等应用。” Raza Eltejaein总结表示。在新一代网络所需的交换器层面，Michael Zimmerman认为，一方面带宽的要求更高，需要达到2.5GbE以上的连接能力，且无需架构升级；另一方面网管人员希望将整体网络连接当成为单一实体，支持物理层装置（PHYs）等技术，实现交换器跟实体侧联合的解决方案。瞄准这一需求，Marvell的交换器芯片Prestera Aldrin和Alleycat有备而来，提供交换器 跟实体侧联合的解决方案。据介绍，Aldrin支持高达10GbE的高带宽，可支持更宽、更大的背板连接。Aldrin是业界首个可支持16甚至到24甚至32个以上10GbE接口。而Alleycat是业界性能最高、密度最高、GbE能力最强的一个产品系列，使用NBASE-T交换器技术。它有专门的40GbE堆叠，是业界首个支持40GbE堆叠的产品。其中Alleycat3X是业界首个支持24个