網絡處理器芯片的國產化之路

　　研制挑戰(zhàn)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(tǒng)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(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(fā)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(xiàn)和發(fā)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(yè)務和協(xié)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(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?；谕ㄓ?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/CPU">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(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100Gbps的流量的線速處理，與業(yè)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(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)，高性能轉發(fā)線卡都集成多個處理芯片協(xié)同完成分組轉發(fā)處理業(yè)務。

　　國產化技術途徑

　　在把握了網絡處理器芯片研制挑戰(zhàn)以及發(fā)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(xiàn)實可行的技術途徑。實際上，網絡處理器研制與高性能CPU及通用操作系統(tǒng)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(tǒng)和編譯系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)建設中發(fā)揮重要作用。因此，有效利用國產高性能CPU和操作系統(tǒng)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(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內部架構、不對其內部實現(xiàn)進行特定優(yōu)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，準確把握技術發(fā)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：
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