隨著移動(dòng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)流量的大幅增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)洪流正在推動(dòng)基站、路由器、網(wǎng)關(guān)和其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)發(fā)生重大變化。為了在流量和速度不斷增長(zhǎng)的情況下保持高性能，下一代通信處理器將多核處理器與 SoC IC 中的專(zhuān)用硬件加速引擎相結(jié)合。

以下討論探討了 SoC 在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中的作用，以及 SoC 在未來(lái)幾年將如何發(fā)展。在這樣做之前，考慮一些推動(dòng)這種需求的趨勢(shì)是有益的。

壓力越來(lái)越大的網(wǎng)絡(luò)

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，每用戶(hù)接入帶寬正以一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的速度增長(zhǎng)，從 3G 網(wǎng)絡(luò)中的 200-300 Mbps 到 4G 長(zhǎng)期演進(jìn) （LTE） 網(wǎng)絡(luò)中的 3-5 Gbps。先進(jìn)的 LTE 技術(shù)將帶寬再次翻倍至 5-10 Gbps。更高速度的接入網(wǎng)絡(luò)將需要更多更小的小區(qū)來(lái)可靠地向越來(lái)越多的移動(dòng)設(shè)備提供這些數(shù)據(jù)速率。

為了應(yīng)對(duì)這些和其他趨勢(shì)，移動(dòng)基站的功能正在發(fā)生重大變化。多個(gè)無(wú)線(xiàn)電被用于類(lèi)似云的分布式天線(xiàn)系統(tǒng)中。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔诒馄交＿\(yùn)營(yíng)商正在提供先進(jìn)的服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 和基于位置的服務(wù)，并轉(zhuǎn)向應(yīng)用感知計(jì)費(fèi)。流量的增加將開(kāi)始給網(wǎng)絡(luò)的接入和回程部分帶來(lái)相當(dāng)大的壓力。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的流量同樣呈爆炸式增長(zhǎng)。組織正在尋求在虛擬機(jī)上進(jìn)行無(wú)限規(guī)模的計(jì)算工作負(fù)載，這打破了許多傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和程序。網(wǎng)絡(luò)本身也變得虛擬化，并轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)即服務(wù) （NaaS） 范式，這推動(dòng)組織采用更靈活的軟件定義網(wǎng)絡(luò) （SDN） 架構(gòu)。

這些趨勢(shì)將把數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻嫦蚍?wù)網(wǎng)絡(luò)的私有云。這種私有云需要與混合安排中的公共云產(chǎn)品更無(wú)縫、更安全地交互。結(jié)果將是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要更高的智能、可擴(kuò)展性和靈活性。

摩爾定律跟不上步伐

曾幾何時(shí)，摩爾定律（處理器性能每 18 個(gè)月左右翻一番）足以滿(mǎn)足計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)需求。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件和軟件同步先進(jìn)。隨著軟件添加了更多更復(fù)雜的功能，處理器的進(jìn)步保持了令人滿(mǎn)意的性能水平。但隨之而來(lái)的是數(shù)據(jù)泛濫。

例如，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，流量以每年約 78% 的速度增長(zhǎng)，這主要是由于視頻流量的增加。這已經(jīng)造成了相當(dāng)大的擁堵，而且當(dāng)?shù)?2016 年估計(jì)有 500 億移動(dòng)設(shè)備在使用并且未來(lái)十年總流量增長(zhǎng) 50 倍時(shí)，問(wèn)題只會(huì)變得更糟。

在數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)量和速度也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。根據(jù) IDC 的數(shù)據(jù)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的創(chuàng)建以每年 60% 的速度增長(zhǎng)。該研究公司的數(shù)字宇宙研究預(yù)測(cè)，從 2009 年到 2020 年，年度數(shù)據(jù)創(chuàng)建量將增長(zhǎng) 44 倍，達(dá)到 35 澤字節(jié)（35 萬(wàn)億千兆字節(jié)）。所有這些數(shù)據(jù)都必須移動(dòng)、存儲(chǔ)和分析，這使得大數(shù)據(jù)成為當(dāng)今大多數(shù)組織的大問(wèn)題。

隨著數(shù)據(jù)泛濫對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的要求越來(lái)越高，供應(yīng)商通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中添加新的基于軟件的特性和功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。軟件現(xiàn)在變得如此復(fù)雜，以至于硬件已經(jīng)落后。硬件趕上的一種方法是使用具有多核的處理器。如果一個(gè)通用處理器不夠用，請(qǐng)嘗試兩個(gè)、四個(gè)、16 個(gè)或更多。

提高硬件性能的另一種方法是將新的多核技術(shù)與舊的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算 （RISC） 技術(shù)相結(jié)合。使用 RISC，less 更多地基于統(tǒng)一的寄存器文件加載/存儲(chǔ)架構(gòu)和簡(jiǎn)單的尋址模式。例如，ARM 對(duì)基本 RISC 架構(gòu)進(jìn)行了一些改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)高性能、小代碼大小、低功耗和小硅面積的更好平衡，最后兩個(gè)因素對(duì)于增加核心數(shù)量很重要。

需要硬件加速，但是……

通用處理器，無(wú)論內(nèi)核數(shù)量如何，對(duì)于必須在每個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)部運(yùn)行的功能來(lái)說(shuō)都太慢了，例如數(shù)據(jù)包分類(lèi)、加密安全和流量管理，這些都是智能 QoS 所需的。由于這些功能通常必須以串行方式執(zhí)行，因此在多個(gè)內(nèi)核中同時(shí)處理它們的機(jī)會(huì)有限。由于這些原因，此類(lèi)功能長(zhǎng)期以來(lái)一直在硬件中執(zhí)行，并且在專(zhuān)用 SoC 通信處理器中將這些硬件加速器與多核處理器集成在一起變得越來(lái)越普遍。

可用的特定功能加速引擎的數(shù)量也在繼續(xù)增長(zhǎng)，現(xiàn)在可以在單個(gè) SoC 上放置更多引擎（以及更多內(nèi)核）。加速引擎的示例包括數(shù)據(jù)包分類(lèi)、深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)、加密/解密、數(shù)字信號(hào)處理、轉(zhuǎn)碼和流量管理。現(xiàn)在甚至可以將系統(tǒng)供應(yīng)商的獨(dú)特知識(shí)產(chǎn)權(quán)集成到 SoC 內(nèi)的定制加速引擎中。總而言之，這些進(jìn)步使得在許多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用單個(gè) SoC 替換多個(gè) SoC 成為可能（參見(jiàn)圖 1）。

圖 1： SoC 通信處理器將多個(gè)通用處理器內(nèi)核與多個(gè)特定任務(wù)加速引擎相結(jié)合，以更少的組件數(shù)量和更低的功耗提供更高的性能。

除了提供更高的吞吐量之外，SoC 還降低了設(shè)備成本，從而顯著提高了性?xún)r(jià)比。此外，緊密耦合多個(gè)加速引擎的能力使其更容易滿(mǎn)足端到端的 QoS 和服務(wù)級(jí)別協(xié)議要求。SoC 在功耗方面還具有明顯的優(yōu)勢(shì)，功耗是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中越來(lái)越重要的考慮因素，因?yàn)樗軌蛟趩蝹€(gè)節(jié)能 IC 中替換多個(gè)分立元件。

當(dāng)今 SoC 的強(qiáng)大功能使得將數(shù)據(jù)包處理完全卸載到路由器或交換機(jī)等系統(tǒng)線(xiàn)卡成為可能。在 IP 多媒體系統(tǒng)和 SDN 等分布式架構(gòu)中，卸載可以類(lèi)似地分布在多個(gè)系統(tǒng)之間，包括服務(wù)器。

盡管硬件加速是必要的，但如今在某些 SoC 中實(shí)現(xiàn)它的方式在需要確定性性能的應(yīng)用中可能不再足夠。當(dāng)數(shù)據(jù)包必須通過(guò)多個(gè)硬件加速器時(shí)，該問(wèn)題是由 SoC 本身的工作流引起的，對(duì)于負(fù)責(zé)檢查、轉(zhuǎn)換、保護(hù)和以其他方式操縱流量的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種情況越來(lái)越多。

如果流量每次通過(guò)不同的加速引擎時(shí)都必須由通用處理器處理，則延遲會(huì)顯著增加，并且無(wú)法在所有情況下都保證確定性性能。隨著以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)速率從 1 Gbps 增加到 10 Gbps，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)速率從 3G 網(wǎng)絡(luò)中的 300 Mbps 增加到 4G 網(wǎng)絡(luò)中的 5 Gbps，這個(gè)問(wèn)題將變得更加嚴(yán)重。

下一代多核 SoC

LSI 使用虛擬管道技術(shù)解決了其 Axxia SoC 中的數(shù)據(jù)路徑問(wèn)題。虛擬管道創(chuàng)建了一個(gè)消息傳遞控制路徑，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠動(dòng)態(tài)指定需要多個(gè)加速引擎的不同組合的不同數(shù)據(jù)包處理流程。然后，每個(gè)流量都直接通過(guò)任何引擎以任何所需的順序進(jìn)行處理，而無(wú)需通用處理器的干預(yù)。這種設(shè)計(jì)本身支持將不同的異構(gòu)內(nèi)核連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)更大的靈活性和更好的功耗優(yōu)化。

除了更快、更高效的數(shù)據(jù)包處理之外，下一代 SoC 還包括更多通用處理器內(nèi)核（至 32、64 及以上）、高度可擴(kuò)展和低延遲的互連、無(wú)阻塞交換以及更廣泛的標(biāo)準(zhǔn)接口選擇（串行 RapidIO、PCI Express、USB、I2C 和 SATA）和更高速的以太網(wǎng)接口（1G、2.5G、10G 和 40G+）。為了輕松地將這些日益復(fù)雜的功能集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軟件開(kāi)發(fā)工具包通過(guò)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)、測(cè)試、調(diào)試和優(yōu)化任務(wù)的工具得到了增強(qiáng)。

下一代 SoC IC 可加快新產(chǎn)品的上市時(shí)間，同時(shí)降低制造成本和功耗。憑借超過(guò) 40 Gbps 的數(shù)據(jù)速率的確定性性能，嵌入式硬件再次準(zhǔn)備好適應(yīng)未來(lái)三到四年數(shù)據(jù)洪流所需的任何額外功能。

審核編輯：郭婷