什么是FPGA

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

　　FPGA和CPLD的主要區(qū)別

　　早在1980年代中期，F(xiàn)PGA已經(jīng)在PLD設(shè)備中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相對(duì)大數(shù)量的可編輯邏輯單元。CPLD邏輯門(mén)的密度在幾千到幾萬(wàn)個(gè)邏輯單元之間，而FPGA通常是在幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)。

　　CPLD和FPGA的主要區(qū)別是他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CPLD是一個(gè)有點(diǎn)限制性的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)由一個(gè)或者多個(gè)可編輯的結(jié)果之和的邏輯組列和一些相對(duì)少量的鎖定的寄存器組成。這樣的結(jié)果是缺乏編輯靈活性，但是卻有可以預(yù)計(jì)的延遲時(shí)間和邏輯單元對(duì)連接單元高比率的優(yōu)點(diǎn)。而FPGA卻是有很多的連接單元，這樣雖然讓它可以更加靈活的編輯，但是結(jié)構(gòu)卻復(fù)雜的多。

　　CPLD和FPGA另外一個(gè)區(qū)別是大多數(shù)的FPGA含有高層次的內(nèi)置模塊（比如加法器和乘法器）和內(nèi)置的記憶體。因此一個(gè)有關(guān)的重要區(qū)別是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系統(tǒng)內(nèi)重新配置。允許他們的設(shè)計(jì)隨著系統(tǒng)升級(jí)或者動(dòng)態(tài)重新配置而改變。一些FPGA可以讓設(shè)備的一部分重新編輯而其他部分繼續(xù)正常運(yùn)行。

　　CPLD和FPGA還有一個(gè)區(qū)別：CPLD下電之后，原有燒入的邏輯結(jié)構(gòu)不會(huì)消失；而FPGA下電之后，再次上電時(shí)，需要重新加載FLASH里面的邏輯代碼，需要一定的加載時(shí)間。

　　FPGA工作原理

　　FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。

　　與傳統(tǒng)邏輯電路和門(mén)陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA利用小型查找表（16×1RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。

　　FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。

　　FPGA在下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的重要意義

　　這里將著重討論FPGA在諸如NFV等虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的作用和意義。

　　電信網(wǎng)絡(luò)是NFV的一個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景，它出現(xiàn)的最直接的動(dòng)因之一就是為了支持指數(shù)級(jí)的帶寬增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，五年后全球的IP流量將較今日增長(zhǎng)超過(guò)3倍。在萬(wàn)物互聯(lián)的今天，尤其是5G、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等技術(shù)已經(jīng)成為各大公司爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)之時(shí)，各種設(shè)備和服務(wù)都需要電信網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理和支持。然而，傳統(tǒng)的電信基礎(chǔ)架構(gòu)和數(shù)據(jù)中心很難進(jìn)行有效的擴(kuò)展，其主要原因有以下兩點(diǎn)：

　　硬件層面：傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)使用的是各類(lèi)專(zhuān)用硬件設(shè)備，如各類(lèi)接入設(shè)備、各層交換機(jī)、路由器、防火墻、QoS等。這樣做的問(wèn)題有很多，例如，不同設(shè)備之間的兼容性差、維護(hù)升級(jí)困難、容易造成供應(yīng)商壟斷從而大幅提高成本、若需要加入新功能則要開(kāi)發(fā)新硬件設(shè)備等等。

　　軟件層面：不同設(shè)備都需要各自對(duì)應(yīng)的軟件進(jìn)行配置和控制，從而難以在管理員層面進(jìn)行大范圍統(tǒng)一部署和配置，且需要學(xué)習(xí)來(lái)自不同供應(yīng)商和規(guī)格的設(shè)備的軟件配置方法。若某些網(wǎng)絡(luò)功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法中對(duì)服務(wù)器的有效利用率很低，且無(wú)法進(jìn)行服務(wù)的動(dòng)態(tài)遷移，等等。

　　因此，虛擬化技術(shù) - 更具體而言，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV技術(shù)，逐漸成為各大運(yùn)營(yíng)商解決上述問(wèn)題的有效途徑。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）關(guān)于NFV比較有名的示意圖如下所示。

　　總體而言，和傳統(tǒng)方法相比，NFV利用通用的服務(wù)器（大多是基于英特爾x86處理器）、通用的存儲(chǔ)設(shè)備、以及通用的高速以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的各種網(wǎng)絡(luò)功能。具體而言，就是將網(wǎng)絡(luò)功能在通用服務(wù)器中用軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)使用通用的存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)流量通過(guò)通用的網(wǎng)卡和高速交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣理論上能很好的解決上述硬件層面的問(wèn)題：使用通用設(shè)備而非專(zhuān)用設(shè)備，提高了數(shù)據(jù)中心的可擴(kuò)展能力，不會(huì)被某個(gè)供應(yīng)商制約，反而會(huì)通過(guò)開(kāi)放競(jìng)爭(zhēng)減少硬件采購(gòu)和部署的成本。

　　另外，借助虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)功能在不同虛擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)，這樣理論上能解決軟件層面的問(wèn)題：即某個(gè)特定應(yīng)用不會(huì)占用服務(wù)器的全部資源，反之，一個(gè)服務(wù)器可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。同時(shí)，虛擬機(jī)在數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展和遷移也更加方便，不會(huì)造成服務(wù)下線或中斷。

　　NFV和另外一項(xiàng)技術(shù)：軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network - SDN）經(jīng)常一起出現(xiàn)。它們的一個(gè)主要的核心思想就是將網(wǎng)絡(luò)的控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面進(jìn)行分離。這樣，所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備都可以同時(shí)被控制、配置、管理，從而避免了管理員需要分別配置每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的低效情形。

　　引用一下《中國(guó)電信CTNet2025網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)白皮書(shū)》的話：

　　“從更好的適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的角度出發(fā)，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須要求網(wǎng)絡(luò)能力接口的開(kāi)放和標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)面向業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)資源和能力的調(diào)度和定制化，同時(shí)為進(jìn)一步加速網(wǎng)絡(luò)能力的平臺(tái)化，還需要提供網(wǎng)絡(luò)可編程的能力，真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的深度開(kāi)放。”

　　請(qǐng)注意，在之前的表述中我使用了很多“理論上”怎樣怎樣，這是由于上面關(guān)于NFV的優(yōu)點(diǎn)很多都是人們美好的想象和愿景。在實(shí)際的工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有效的NFV架構(gòu)面臨著很多問(wèn)題。例如，不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的種類(lèi)五花八門(mén)，而很多應(yīng)用都需要進(jìn)行線速的處理，如QoS和流量整形（之前的博文介紹過(guò)）、VPN、防火墻、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、加密解密、實(shí)時(shí)監(jiān)控、深度包檢測(cè)（DPI）等等。即使有DPDK等專(zhuān)用的軟件開(kāi)發(fā)庫(kù)，目前單純使用軟件實(shí)現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的線速處理，在技術(shù)上存在很大困難，且用軟件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能在性能上很難和專(zhuān)有硬件相比。這樣一來(lái)，人們會(huì)反過(guò)來(lái)質(zhì)疑使用NFV的出發(fā)點(diǎn)和動(dòng)機(jī)。同時(shí)，鑒于NFV仍處于方案探討和摸索階段，很多相關(guān)的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有確定，這也在一定程度上使很多企業(yè)猶豫是否要投入大量資源去進(jìn)行前期的探究工作。

　　因此，如何有效的實(shí)現(xiàn)這些虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能（Virtualized Network Function - VNF），是我們前階段的主要工作和這篇白皮書(shū)主要探討的問(wèn)題。

　　虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）的有效實(shí)現(xiàn)

　　在這里，實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的“有效性”主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　1.VNF必須非常靈活、便于使用；

　　2.容易大規(guī)模擴(kuò)展，不局限于某種應(yīng)用場(chǎng)景或網(wǎng)絡(luò)；

　　3.性能方面應(yīng)該不低于，甚至高于專(zhuān)用硬件。

　　介于此，白皮書(shū)中給出了幾個(gè)有潛力的發(fā)展方向以供參考：

　　1.控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的分離和獨(dú)立擴(kuò)展。

　　2.設(shè)計(jì)并優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化擁有可編程能力的轉(zhuǎn)發(fā)面。

　　在電信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景中，NFV的一個(gè)典型應(yīng)用就是虛擬化的寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)vBRAS，即virtual broadband remote access server，又被稱(chēng)為vBNG，即virtual broadband network gateway。在vBRAS中可能包含很多虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，例如遠(yuǎn)程用戶撥入驗(yàn)證服務(wù)（Remote Authentication Dial-In User Service， RADIUS）、動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP），以及之前提過(guò)的DPI、防火墻、QoS等。

　　一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是，這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用從計(jì)算資源的需求上可以分成兩類(lèi)。一類(lèi)不需要大量的計(jì)算資源，如RADIUS和DHCP。同時(shí)這類(lèi)應(yīng)用很多屬于控制平面。因此這類(lèi)應(yīng)用很適合直接放在控制平面，并且有很好的縱向和橫向的擴(kuò)展性，也很適合用通用的計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

　　另一類(lèi)應(yīng)用往往需要很大的計(jì)算能力，如流量管理、路由轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)包處理等，且通常需要在線速下（如40Gbps、100Gbps或更高）進(jìn)行處理。這類(lèi)應(yīng)用往往屬于數(shù)據(jù)平面。對(duì)于數(shù)據(jù)平面而言，它還需要支持很多種計(jì)算量很大的網(wǎng)絡(luò)功能，這樣才能區(qū)別于使用專(zhuān)有硬件，符合NFV技術(shù)的初衷。綜上而言，數(shù)據(jù)平面應(yīng)該具備以下兩點(diǎn)主要能力“

　　1.能線速進(jìn)行高吞吐量的復(fù)雜數(shù)據(jù)包處理；

　　2.同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)功能，具有很強(qiáng)的可編程能力。

　　然而，如果直接使用軟件方法實(shí)現(xiàn)，這兩點(diǎn)功能很難同時(shí)滿足。因此我們采用了FPGA作為智能硬件加速平臺(tái)，很好的同時(shí)解決了處理速度和可編程性?xún)蓚€(gè)問(wèn)題。首先，F(xiàn)PGA相比純軟件方法，在數(shù)據(jù)包處理上擁有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的硬件并行性能，因此被用作硬件加速器使用。其次，相比于傳統(tǒng)的專(zhuān)有硬件設(shè)備，F(xiàn)PGA擁有靈活的可編程能力，可以支持各種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

　　虛擬寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)：從BRAS到vBRAS的演進(jìn)

　　圖1：vBRAS的演化

　　上圖為我們展示了傳統(tǒng)BRAS逐步演進(jìn)到vBRAS的三個(gè)主要過(guò)程：

　　1.第一階段，傳統(tǒng)的BRAS使用專(zhuān)用設(shè)備，且控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面緊耦合。圖中可以看到控制路徑和數(shù)據(jù)路徑是相互重合的。

　　2.第二階段，采用了虛擬化技術(shù)，且采用了服務(wù)器取代了專(zhuān)用BRAS設(shè)備，使用軟件和虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)多個(gè)vBRAS。但同時(shí)也可以看到，此時(shí)控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面還是相互耦合實(shí)現(xiàn)。由于兩者性能差別很大，這種實(shí)現(xiàn)方式很容易造成數(shù)據(jù)通路的性能瓶頸，或因數(shù)據(jù)通路流量過(guò)大而占用了控制面的帶寬。反之，控制面的流量會(huì)影響數(shù)據(jù)面的線速包處理的能力。

　　3.第三階段，采用虛擬化技術(shù)，且控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面相互分離。從圖中可以看到，控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面由兩個(gè)服務(wù)器分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，控制流量和轉(zhuǎn)發(fā)流量相互不影響。此外，控制流量能在數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和控制服務(wù)器之間雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制面對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)面的控制。

　　這第三個(gè)階段就是目前英特爾、HPE和中國(guó)電信北研院聯(lián)合研發(fā)的最新成果。接下來(lái)就詳細(xì)講解其技術(shù)細(xì)節(jié)。

　　高性能vBRAS的設(shè)計(jì)方法

　　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上述第三階段中高性能的vBRAS方案，需要分別實(shí)現(xiàn)vBRAS-c （control） 和vBRAS-d （data），即vBRAS控制設(shè)備和vBRAS數(shù)據(jù)設(shè)備。這兩類(lèi)設(shè)備都應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)化的通用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)于vBRAS數(shù)據(jù)設(shè)備而言，需要針對(duì)計(jì)算量龐大的應(yīng)用進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化和加速，使其能進(jìn)行高吞吐量、低延時(shí)的數(shù)據(jù)包處理。

　　下圖展示了本應(yīng)用實(shí)例中，vBRAS-c和vBRAS-d的設(shè)計(jì)方法。

　　圖2：vBRAS的轉(zhuǎn)控分離架構(gòu)

　　對(duì)于vBRAS-c節(jié)點(diǎn)，其重要的設(shè)計(jì)思想就是輕量化和虛擬化，使其方便在數(shù)據(jù)中心或云端進(jìn)行擴(kuò)展和移植，同時(shí)可以分布式實(shí)現(xiàn)，以控制多個(gè)數(shù)據(jù)平面節(jié)點(diǎn)。因此在本例中，vBRAS-c由一個(gè)獨(dú)立的HPE DL380服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。DL380服務(wù)器中包含兩個(gè)CPU插槽（socket），每個(gè)插槽中均有一塊14核的Xeon處理器。服務(wù)器的總內(nèi)存為128GB。網(wǎng)絡(luò)接口方面，vBRAS-c可以使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，比如一塊或多塊英特爾X710 10GbE網(wǎng)卡即可滿足控制平面的流量要求。具體的vBRAS控制應(yīng)用則在虛擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)，多個(gè)虛擬機(jī)由SDN控制器統(tǒng)一控制。

　　對(duì)于vBRAS-d節(jié)點(diǎn)，總體也通過(guò)獨(dú)立的DL380實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上文提到的優(yōu)化加速的部分，本實(shí)例中使用了基于Arria10 FPGA的智能網(wǎng)卡加速網(wǎng)絡(luò)功能，如線速處理QoS和多級(jí)流量整形。在一個(gè)DL380中，可以插入多塊FPGA智能網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)處理，成倍提高數(shù)據(jù)吞吐量。同時(shí)，vBRAS-d節(jié)點(diǎn)通過(guò)OpenFlow與SDN控制器交互，且一臺(tái)vBRAS-c設(shè)備可以控制多個(gè)vBRAS-d設(shè)備。

　　基于Arria10 FPGA的智能網(wǎng)卡解析

　　使用FPGA智能網(wǎng)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)加速的好處有以下幾點(diǎn)：

　　1.解放了寶貴的CPU內(nèi)核，將原本在CPU中實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理卸載到FPGA上進(jìn)行加速實(shí)現(xiàn)。這樣CPU可以用來(lái)做其他的工作，在虛擬化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了資源的有效利用。

　　2.FPGA擁有低功耗、靈活可編程的特點(diǎn)。在白皮書(shū)中提到，在選用的Arria10 GT1150 器件上實(shí)現(xiàn)了硬件QoS和多級(jí)流量整形后，只占用了FPGA的40%的邏輯資源。換言之，還有60%的資源可以被用來(lái)進(jìn)行其他的網(wǎng)絡(luò)功能處理和加速。同時(shí)，可以隨時(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行編程，因此多種網(wǎng)絡(luò)功能的加速都可以用一套硬件設(shè)備完成，不需要更換加速卡或其他硬件設(shè)備。即使是用戶自己定義的功能，也可以實(shí)現(xiàn)，不需要專(zhuān)有設(shè)備完成。這樣很好的平衡了高性能和高通用性?xún)烧唛g的矛盾。

　　3.FPGA能進(jìn)行高速并行的數(shù)據(jù)包處理，且本身就廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，解決方案豐富且成熟。

　　下圖概括介紹了本實(shí)例中在FPGA中實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)。

　　圖3：FPGA數(shù)據(jù)包處理的數(shù)據(jù)通路

　　由圖中可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)包含多個(gè)模塊，如Parser、Look-Up、Buffer Manager、Packet Processor，以及內(nèi)存控制器和DMA等。數(shù)據(jù)包進(jìn)入FPGA后，依次通過(guò)各個(gè)模塊進(jìn)行特征提取、分類(lèi)、查找，如果需要就通過(guò)PCIe和DMA與CPU進(jìn)行交互。同時(shí)，Buffer Manager會(huì)對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)包進(jìn)行流量控制、QoS和流量整形等操作。

　　此外，這款FPGA智能網(wǎng)卡支持多種包處理模式，即可以將數(shù)據(jù)包完全在FPGA內(nèi)部處理后轉(zhuǎn)發(fā)，不經(jīng)過(guò)CPU；也可以將數(shù)據(jù)包通過(guò)PCIe傳送到CPU，使用DPDK進(jìn)行包處理，再通過(guò)FPGA轉(zhuǎn)發(fā)；或者二者結(jié)合，一部分功能在CPU中實(shí)現(xiàn)，另外一部分卸載到FPGA上完成。可見(jiàn)靈活度很高。

　　性能測(cè)試

　　圖4：數(shù)據(jù)平面的服務(wù)器和FPGA架構(gòu)

　　圖中可見(jiàn)，一個(gè)DL380服務(wù)器上插了3塊相互獨(dú)立的FPGA智能網(wǎng)卡，每塊網(wǎng)卡支持40Gbps數(shù)據(jù)吞吐量，因此一個(gè)vBRAS-d服務(wù)器支持的總吞吐量為120Gbps。每塊網(wǎng)卡通過(guò)PCIex16接口與CPU相連，在CPU中運(yùn)行DPDK L2/L3 FWD應(yīng)用，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回FPGA，然后在FPGA中進(jìn)行QoS和數(shù)據(jù)整形。在測(cè)試中，流量的產(chǎn)生和接收都通過(guò)Spirent測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)于QoS，每個(gè)智能網(wǎng)卡可以支持4000用戶，故單服務(wù)器支持12000個(gè)用戶。每個(gè)用戶支持2個(gè)優(yōu)先級(jí)，且分配給每個(gè)用戶的帶寬可以編程控制。例如，每個(gè)用戶分配8.5Mbps帶寬，則開(kāi)啟流量整形后單服務(wù)器總流量應(yīng)為12000x8.5=102Gbps，如下圖所示。

　　數(shù)據(jù)平面的性能測(cè)試結(jié)果

　　我們看到，當(dāng)數(shù)據(jù)包為定長(zhǎng)512字節(jié)時(shí)，關(guān)閉流量整形功能后，高優(yōu)先級(jí)流量和低優(yōu)先級(jí)流量都沒(méi)有損失，各為60Gbps（對(duì)應(yīng)每個(gè)用戶的實(shí)際流量為5Mbps高優(yōu)先級(jí)+5Mbps低優(yōu)先級(jí)），因此總流量為120Gbps。開(kāi)啟流量整形功能后，高優(yōu)先級(jí)流量沒(méi)有損失，仍為60Gbps。對(duì)于低優(yōu)先級(jí)，由于每個(gè)用戶分配8.5Mbps帶寬且高優(yōu)先級(jí)已經(jīng)占用了其中的5Mbps，因此只剩余3.5Mbps帶寬供低優(yōu)先級(jí)流量通過(guò)?？梢?jiàn)低優(yōu)先級(jí)流量遭到限流，總流量變成3.5Mx12000=42Gbps，使得總流量變成102Gbps。這在總體上證明了單個(gè)vBRAS-d節(jié)點(diǎn)可以支持超過(guò)100Gbps的流量處理。

　　此外還進(jìn)行了一些功耗測(cè)試能性能對(duì)比，我在此挑選了一張結(jié)果圖如下所示。

　　圖5：不同帶寬時(shí)總能耗性能比的對(duì)比

　　這張圖表示了實(shí)現(xiàn)不同帶寬時(shí)，總功耗性能比的一系列比較。功耗性能比的定義為，實(shí)現(xiàn)1Tbps時(shí)所需要的總功耗（千瓦）。圖中將不含F(xiàn)PGA智能網(wǎng)卡的vBRAS實(shí)現(xiàn)50Gbps時(shí)的功耗性能比作為基準(zhǔn)值（100%）。由圖中可以看到，vBRAS+FPGA智能網(wǎng)卡的方案總能降低超過(guò)40%的總功耗，最多可達(dá)到60%。這進(jìn)一步印證了上文中闡述過(guò)的使用FPGA進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能加速的好處所在。

　　其他性能測(cè)試和對(duì)比不再贅述，詳細(xì)內(nèi)容在白皮書(shū)中可以看到?？傮w而言，相比于傳統(tǒng)的vBRAS服務(wù)器+標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡的方案，使用vBRAS+FPGA智能網(wǎng)卡的解決方案可以減少約50%的功耗，以及帶來(lái)超過(guò)3倍的性能提升。

　　SWOT四個(gè)維度解析當(dāng)前國(guó)內(nèi)發(fā)展FPGA前景

　?。?）首先說(shuō)優(yōu)勢(shì)。相比較xilinx和altera，國(guó)產(chǎn)FPGA廠商目前基本沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，只有比較優(yōu)勢(shì)，比如起點(diǎn)高，再也不用從微米級(jí)技術(shù)開(kāi)始做起，一開(kāi)始就從幾十納米進(jìn)入，工藝差距可以縮小到2-3代的水平。另外，中國(guó)是FPGA芯片的應(yīng)用大國(guó)，國(guó)產(chǎn)FPGA有本土化的各種優(yōu)勢(shì)，比如對(duì)中小客戶需求的理解等比國(guó)外巨頭要更接地氣等。

　?。?）劣勢(shì)的話很明顯，從專(zhuān)利、技術(shù)產(chǎn)品到人才及市場(chǎng)品牌等，國(guó)產(chǎn)FPGA廠商都和國(guó)外巨頭存在很大的差距。

　　（3）再說(shuō)機(jī)會(huì)，當(dāng)前中國(guó)廠商面臨的機(jī)會(huì)比較多，因?yàn)閺膰?guó)家層面來(lái)看已經(jīng)把FPGA列為國(guó)家戰(zhàn)略芯片，政府在這個(gè)領(lǐng)域的投入可能會(huì)逐步增加，雖然政府直接主導(dǎo)這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展未必是好的方式，但是給予民營(yíng)企業(yè)各方面的支持卻是非常重要的。另外，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)的企業(yè)能吸引到更多更優(yōu)秀的國(guó)際化人才加入，尤其是一些高端的FPGA領(lǐng)軍人才，對(duì)一個(gè)企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。最后，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)等新興行業(yè)的發(fā)展，F(xiàn)PGA市場(chǎng)容量可能會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的增長(zhǎng)。

　　（4）最后說(shuō)威脅。說(shuō)道威脅，專(zhuān)利是一個(gè)。當(dāng)中國(guó)企業(yè)還很弱小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)對(duì)國(guó)際巨頭構(gòu)不成競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候，這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)還不大，如果已經(jīng)形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的時(shí)候，可能巨頭們就會(huì)拿起專(zhuān)利武器來(lái)捍衛(wèi)自己的利益，如同中興、華為在發(fā)展過(guò)程中遇到的問(wèn)題一樣，這就要求中國(guó)的FPGA廠商要苦練內(nèi)功，在專(zhuān)利和技術(shù)方面踏踏實(shí)實(shí)做好積累，以應(yīng)對(duì)將來(lái)可能出現(xiàn)的專(zhuān)利戰(zhàn)以及國(guó)際化，否則即使能做出產(chǎn)品，可能也走不遠(yuǎn)。

　　總體來(lái)看，雖然目前中國(guó)在FPGA這個(gè)領(lǐng)域比國(guó)外的主流廠商還存在很大差距，但是考慮到中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合國(guó)力的增強(qiáng)以及政府對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)的高度重視，還有這個(gè)市場(chǎng)可能出現(xiàn)的大幅增長(zhǎng)，中國(guó)的國(guó)產(chǎn)FPGA和國(guó)外主流廠商的差距會(huì)逐步縮小，雖然這個(gè)過(guò)程會(huì)比較長(zhǎng)，但趨勢(shì)是無(wú)疑的。

　　近些年中國(guó)陸陸續(xù)續(xù)誕生了一些FPGA廠商，如京微雅閣、安路、同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體等公司，都先后推出自己的FPGA芯片，有的已經(jīng)在商用，有的在大公司進(jìn)行樣品認(rèn)定和試驗(yàn)項(xiàng)目，這是一個(gè)很好的信號(hào)。在今年的“IC-CHINA 2017”大會(huì)中，高云發(fā)布了3款新品，不僅發(fā)布了集成ARM3的SOC FPGA，還有基于55nm SRAM工藝的“晨熙”系列和基于55nm嵌入式Flash+SRAM的“小蜜蜂”4個(gè)系列11款產(chǎn)品，基本覆蓋了lattice 70%~80%左右的產(chǎn)品，特別是小蜜蜂系列，對(duì)應(yīng)lattice 的XO2/XO3，對(duì)其形成強(qiáng)有力的替代競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。另外，高云28nm的產(chǎn)品已經(jīng)在研發(fā)中，預(yù)計(jì)2019年左右推出。目前高云FPGA芯片累計(jì)出貨量即將達(dá)到200萬(wàn)片，對(duì)于一個(gè)成立才3年左右的公司，這個(gè)發(fā)展是相當(dāng)迅速的，如果芯片的良率在應(yīng)用中得到逐步提高，芯片可靠性得到了用戶的認(rèn)可，這將會(huì)對(duì)國(guó)外廠商產(chǎn)生很大的沖擊。與此同時(shí)，安路也發(fā)布了它最新55nm的第二代“小精靈”ELF2系列高性能低功耗和內(nèi)嵌MCU的SOC FPGA，向國(guó)外廠家的中低端產(chǎn)品發(fā)起了挑戰(zhàn)。

　　回頭看中國(guó)每個(gè)發(fā)展得不錯(cuò)的行業(yè)，基本都遵循一個(gè)邏輯，先是從低端開(kāi)始突破，對(duì)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行替代，在行業(yè)站穩(wěn)了腳跟之后，開(kāi)始持續(xù)改進(jìn)，不斷提升自己的技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)以及專(zhuān)利積累等，到了一定階段之后可以在細(xì)分領(lǐng)域里面創(chuàng)造一些需求，以不斷向高端進(jìn)軍，最終在行業(yè)里面的高端占有一席之地。中國(guó)通訊制造業(yè)、高鐵制造等都是遵循這個(gè)邏輯發(fā)展的。 “低端突破-》持續(xù)改進(jìn)-》創(chuàng)造需求-》高端引領(lǐng)” 是中國(guó)各個(gè)行業(yè)發(fā)展的必由之路。對(duì)于FPGA行業(yè)來(lái)說(shuō)，也完全可以按照這個(gè)思路發(fā)展。

　　FPGA市場(chǎng)前景誘人，但是門(mén)檻之高在芯片行業(yè)里無(wú)出其右。全球有60多家公司先后斥資數(shù)十億美元，前赴后繼地嘗試登頂FPGA高地，其中不乏英特爾、IBM、德州儀器、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星這樣的行業(yè)巨鱷，但是最終登頂成功的只有位于美國(guó)硅谷的四家公司：Xilinx（賽靈思）、Altera（阿爾特拉）、Lattice（萊迪思）、Microsemi（美高森美），其中，Xilinx與Altera這兩家公司共占有近90%的市場(chǎng)份額，專(zhuān)利達(dá)到6000余項(xiàng)之多，如此之多的技術(shù)專(zhuān)利構(gòu)成的技術(shù)壁壘當(dāng)然高不可攀。而Xilinx始終保持著全球FPGA的霸主地位。當(dāng)今，半導(dǎo)體市場(chǎng)格局已成三足鼎立之勢(shì)，F(xiàn)PGA，ASIC和ASSP三分天下。市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)PGA已經(jīng)逐步侵蝕ASIC和ASSP的傳統(tǒng)市場(chǎng)，并處于快速增長(zhǎng)階段。