隨著移動和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)流量的大幅增長，數(shù)據(jù)洪流正在推動基站、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 在未來幾年將如何發(fā)展。在這樣做之前，考慮一些推動這種需求的趨勢是有益的。

壓力越來越大的網(wǎng)絡(luò)

在移動網(wǎng)絡(luò)中，每用戶接入帶寬正以一個數(shù)量級以上的速度增長，從 3G 網(wǎng)絡(luò)中的 200-300 Mbps 到 4G 長期演進 （LTE） 網(wǎng)絡(luò)中的 3-5 Gbps。先進的 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)來可靠地向越來越多的移動設(shè)備提供這些數(shù)據(jù)速率。

為了應(yīng)對這些和其他趨勢，移動基站的功能正在發(fā)生重大變化。多個無線電被用于類似云的分布式天線系統(tǒng)中。網(wǎng)絡(luò)拓撲正在扁平化。運營商正在提供先進的服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 和基于位置的服務(wù)，并轉(zhuǎn)向應(yīng)用感知計費。流量的增加將開始給網(wǎng)絡(luò)的接入和回程部分帶來相當(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。組織正在尋求在虛擬機上進行無限規(guī)模的計算工作負載，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，這推動組織采用更靈活的軟件定義網(wǎng)絡(luò) （SDN） 架構(gòu)。

這些趨勢將把數(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)品更無縫、更安全地交互。結(jié)果將是整個網(wǎng)絡(luò)需要更高的智能、可擴展性和靈活性。

摩爾定律跟不上步伐

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

例如，在移動網(wǎng)絡(luò)中，流量以每年約 78% 的速度增長，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 年估計有 500 億移動設(shè)備在使用并且未來十年總流量增長 50 倍時，問題只會變得更糟。

在數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)量和速度也呈指數(shù)級增長。根據(jù) IDC 的數(shù)據(jù)，數(shù)字數(shù)據(jù)的創(chuàng)建以每年 60% 的速度增長。該研究公司的數(shù)字宇宙研究預(yù)測，從 2009 年到 2020 年，年度數(shù)據(jù)創(chuàng)建量將增長 44 倍，達到 35 澤字節(jié)（35 萬億千兆字節(jié)）。所有這些數(shù)據(jù)都必須移動、存儲和分析，這使得大數(shù)據(jù)成為當(dāng)今大多數(shù)組織的大問題。

隨著數(shù)據(jù)泛濫對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的要求越來越高，供應(yīng)商通過在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中添加新的基于軟件的特性和功能來解決這個問題。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。如果一個通用處理器不夠用，請嘗試兩個、四個、16 個或更多。

提高硬件性能的另一種方法是將新的多核技術(shù)與舊的精簡指令集計算 （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/存儲架構(gòu)和簡單的尋址模式。例如，ARM 對基本 RISC 架構(gòu)進行了一些改進，以實現(xiàn)高性能、小代碼大小、低功耗和小硅面積的更好平衡，最后兩個因素對于增加核心數(shù)量很重要。

需要硬件加速，但是……

通用處理器，無論內(nèi)核數(shù)量如何，對于必須在每個數(shù)據(jù)包內(nèi)部運行的功能來說都太慢了，例如數(shù)據(jù)包分類、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，因此在多個內(nèi)核中同時處理它們的機會有限。由于這些原因，此類功能長期以來一直在硬件中執(zhí)行，并且在專用 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，現(xiàn)在可以在單個 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、深度數(shù)據(jù)包檢測、加密/解密、數(shù)字信號處理、轉(zhuǎn)碼和流量管理。現(xiàn)在甚至可以將系統(tǒng)供應(yīng)商的獨特知識產(chǎn)權(quán)集成到 SoC 內(nèi)的定制加速引擎中。總而言之，這些進步使得在許多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用單個 SoC 替換多個 SoC 成為可能（參見圖 1）。

圖 1： SoC 通信處理器將多個通用處理器內(nèi)核與多個特定任務(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，從而顯著提高了性價比。此外，緊密耦合多個加速引擎的能力使其更容易滿足端到端的 QoS 和服務(wù)級別協(xié)議要求。SoC 在功耗方面還具有明顯的優(yōu)勢，功耗是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中越來越重要的考慮因素，因為它能夠在單個節(jié)能 IC 中替換多個分立元件。

當(dāng)今 SoC 的強大功能使得將數(shù)據(jù)包處理完全卸載到路由器或交換機等系統(tǒng)線卡成為可能。在 IP 多媒體系統(tǒng)和 SDN 等分布式架構(gòu)中，卸載可以類似地分布在多個系統(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)包必須通過多個硬件加速器時，該問題是由 SoC 本身的工作流引起的，對于負責(zé)檢查、轉(zhuǎn)換、保護和以其他方式操縱流量的系統(tǒng)來說，這種情況越來越多。

如果流量每次通過不同的加速引擎時都必須由通用處理器處理，則延遲會顯著增加，并且無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，這個問題將變得更加嚴(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)路徑問題。虛擬管道創(chuàng)建了一個消息傳遞控制路徑，使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠動態(tài)指定需要多個加速引擎的不同組合的不同數(shù)據(jù)包處理流程。然后，每個流量都直接通過任何引擎以任何所需的順序進行處理，而無需通用處理器的干預(yù)。這種設(shè)計本身支持將不同的異構(gòu)內(nèi)核連接在一起，從而實現(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）、高度可擴展和低延遲的互連、無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)計中，軟件開發(fā)工具包通過簡化開發(fā)、測試、調(diào)試和優(yōu)化任務(wù)的工具得到了增強。

下一代 SoC IC 可加快新產(chǎn)品的上市時間，同時降低制造成本和功耗。憑借超過 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