網(wǎng)絡處理器芯片的國產(chǎn)化之路

　　網(wǎng)絡處理器芯片主要用于構建網(wǎng)絡通信基礎設施平臺，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)絡核心設備中，它特定應用于網(wǎng)絡通信領域的各種任務，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(wǎng)絡處理器是網(wǎng)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(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)絡通信設備中固定功能的ASIC芯片，已成為構建網(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]、Marvell 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構，利用功能部件定制優(yōu)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(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(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發(fā)處理性能，在芯片功耗方面具有優(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，可提供160Gbps報文轉發(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，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(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(GNP)，面向支持多樣化網(wǎng)絡高層協(xié)議和業(yè)務處理設計，具有較強的可編程性，通?？梢灾С諧/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)絡通信基礎設施安全及自主創(chuàng)新能力的重視，作為構建網(wǎng)絡通信設備的核心器件，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)和技術發(fā)展趨勢。