网络处理器芯片的国产化之路

　　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100Gbps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-lucent.com/products/fp3.
　　[2]Marvell Xelerated网络处理器[R/OL]，http://www.marvell.com/network-processors/xelerated-hx/.
　　[3]EZchip NP-5网络处理器[R/OL]，http://www.ezchip.com/p_np5.htm.
　　[4]Broadcom XLP900网络处理器[R/OL]，　　http://www.broadcom.com/products/Processors/Enterprise/XLP900-Series
　　[5]CaviumOcteon III网络处理器[R/OL]，http://www.cavium.com/OCTEON-III_CN7XXX.html.
　　[6]TianTian, Alexander Belousov. Intel下一代通信平台数据平面解决方案，2012.12.