大数据时代网络交换芯片正当红。

在本世纪的第二个十年,人类社会正式走入了大数据时代。在大数据时代,人类社会上有无数的设备(手机,电脑,智能可穿戴设备)在产生数据,这些数据通过网络源源不断地汇入数据中心,犹如小溪汇入海洋。在数据中心,这些海量数据通过网络交换芯片(network chips)在服务器之间流动。如果说大数据时代的数据中心是社会的大脑,那么网络交换芯片犹如大脑中的血管,支撑着大脑的运作。

为了支持数据的畅通流动,网络交换芯片的首要指标就是吞吐率。在今天,为了支持高速以太网(10-40 Gb/s),主流的网络交换芯片的吞吐率已经至少达到了1Tb/s,一些更高端的芯片甚至可以实现3-6 Tb/s。网络交换芯片支持的吞吐率越大,就能支持越多路高速以太网端口。

目前,中高端网络交换芯片的主宰者毫无疑问是以宽带芯片起家的博通。根据Linley Group的调查,2015年高速以太网(10-40 Gb/s)芯片领域市场总量大约有6.9亿美元,而博通占据了令人咋舌的94.5%份额。去年下半年,博通推出了Tomahawk II系列芯片,该网络交换芯片支持64路100 Gb/s超高速以太网,总吞吐量可达6.4 Tb/s,无疑是占领了技术的制高点。

001broadcom20170322 博通的Tomahawk II网络交换芯片代表了目前网络交换芯片的技术制高点

然而,随着数据中心变得越来越普及越来越重要,也有更多的网络交换芯片公司加入战团。在上周于美国加州举行的Open Compute Project展会上,一家名叫Nephos的公司展示了与博通Tomahawk II同样具有6.4 TB/s的网络交换芯片组。Nephos是希腊语“云”的意思,可见Nephos从创立之初就是朝着云计算中心的市场去的。

Nephos背后的台湾半导体巨头

虽然之前行事低调,但Nephos的来头并不小,它的实际掌控人是联发科。2012年,联发科内部成立了数据中心部门,并在2016年独立出来成为了Nephos。目前Nephos有130名员工,经过A轮融资,估值为3亿美元,而联发科拥有它75%的股份。

Nephos的团队在发布这款6.4 Tb/s网络交换芯片之前,已经经过了多年积累,去年发布的1 Tb/s带宽的网络交换芯片已经运行在中国的一个数据中心里。

除了联发科之外,Nephos还得到了台积电的技术支持。台积电的InFo封装技术在Nephos的超高速网络交换芯片中起了巨大的作用。台积电的InFO封装技术可以把多块芯片在硅载片上集成在一起,在硅载片上可以实现高密度的互联线,从而实现芯片间超高带宽,低延迟且高质量的数据传输。

002broadcom20170322

之前,台积电的InFO技术已经应用在苹果的处理器中,而Nephos则利用InFO把两块吞吐量为3.2 Tb/s的芯片集成在一块硅载片上,从而以较低的成本实现6.4 Tb/s的超高吞吐量网络交换芯片组。除此之外,Nephos利用母公司联发科的关系,还能够获得台积电的先进工艺产能,这在高性能网络交换芯片的竞争中也是一个重要优势。

市场上的其他竞争者

除了Nephos之外,Marvell,Mellanox,Cavium,Barefoot等厂商也在积极地推出产品以抢占市场。除了芯片厂商外,数据中心也不愿意看到博通在网络交换芯片市场寡头垄断。目前,博通网络交换芯片的报价是每100 Gb/s的网络端口60美元,也就是说每块Tomahawk II芯片(支持64路100 Gb/s端口)要卖4000美元!不过,在数据中心和其他竞争厂商的合力下,到2020年预计每个网络端口的报价会下降到36美元。

在网络交换芯片的竞争厂商中,Barefoot无疑是另一家吸引了许多人目光的初创企业。Barefoot的突破在于使用软件定义的网络协议。在传统网络交换芯片(如博通的产品)中,一款芯片只能处理一种网络协议,因此如果在短时间内网络协议更新换代,就必须使用新的对应的网络交换芯片。针对这个问题,Barefoot推出了软件定义网络(software-defined network),因此Barefoot的网络交换芯片可以使用软件编程的方式修改芯片支持的网络协议,从而一块芯片就可以支持多种网络协议。而且在网络协议改变时,理论上不需要换新的芯片就可以支持新的网络协议。为了实现软件编程,Barefoot还专门开发了一种描述网络协议的语言(P4),用来编程自己的芯片去实现各种网络协议。

003broadcom20170322

Barefoot这种软件定义网络协议的架构得到了互联网巨头的肯首。Facebook等互联网公司都在寻找一种可定制化且快速迭代的网络协议。(腾讯/阿里巴巴联手押宝SDN芯片公司,要革博通的命? )很显然,这种网络协议如果使用传统的ASIC无法实现可定制化,因为没有芯片厂商会为一家互联网公司定制一款芯片,就算能钱多到互联网公司自己设计制造芯片,快速迭代也无从说起,因为一款芯片的设计上市周期可达一年至一年半,跟不上网络协议迭代的进度。但是如今有了Barefoot的软件定义网络交换芯片,一切都可以成为现实。

不过,Barefoot的软件定义网络能否得到大规模应用还需时间考验。就目前而言,大多数数据中心实用的网络协议都是标准协议,因此博通的网络交换芯片已经足够使用。相对于Barefoot激进的软件定义网络,Nephos使用了一种折衷的办法,即所有的芯片都可以使用同一套驱动和开发软件,换句话说在配套软件和应用开发完成后,即使升级网络使用了更高级的Nephos芯片,之前开发的驱动和软件应用也无需修改。

除了Barefoot之外,另外一些互联网巨头的动作也值得注意,即微软和亚马逊在自己的数据中心中引入FPGA。这些FPGA除了能在深度学习和图像处理等地方加速外,还能处理网络协议,因此也可以实现类似Barefoot的快速配置兼容新网络协议的功能。然而,FPGA的问题在于SerDes,通常的FPGA芯片上不会大规模集成高速SerDes,然而高速SerDes确是网络交换芯片的关键之一。例如,在博通的Tomahawk II芯片上,集成了256个运行在25 Gb/s的高速SerDes,这在FPGA芯片上是不太可能看到的。因此,FPGA想要替代网络交换芯片目前暂时可能性不大,但是可以作为固定功能网络交换芯片的一个补充。

中国公司正在迎头赶上

可喜的是,中国公司也在网络交换芯片的竞争中占有一席之地。获得国家集成电路产业基金领投3.1亿元战略投资的盛科网络推出了累积带宽达1.2 Tb/s的芯片,虽然离博通尚有距离,但是已经能在市场上拥有自己的位置。随着互联网和数据中心在中国的发展,相信国产网络交换芯片也会发展越来越快。数据中心里的芯片除了处理超高交换带宽的交换芯片外,与缆线接口的前端芯片也非常重要,前端芯片决定了接收信号的质量,同时也部分决定了最高可实现的带宽。在这方面,位于上海的初创公司PhotonIC的产品处在了全国甚至世界领先的位置,该公司的产品主要针对的是使用光纤通信使用的超高速SerDes。

另一方面,为了实现超高带宽,网络芯片必须使用最先进的工艺,因此要实现网络交换芯片全国产化,中国的半导体Fab也需要努力。

20160630000123