網(wǎng)絡(luò )交換芯片主宰大數據時(shí)代 市場(chǎng)烽煙四起

　　大數據時(shí)代網(wǎng)絡(luò )交換芯片正當紅。

　　在本世紀的第二個(gè)十年，人類(lèi)社會(huì )正式走入了大數據時(shí)代。在大數據時(shí)代，人類(lèi)社會(huì )上有無(wú)數的設備(手機，電腦，智能可穿戴設備)在產(chǎn)生數據，這些數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )源源不斷地匯入數據中心，猶如小溪匯入海洋。在數據中心，這些海量數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )交換芯片(network chips)在服務(wù)器之間流動(dòng)。如果說(shuō)大數據時(shí)代的數據中心是社會(huì )的大腦，那么網(wǎng)絡(luò )交換芯片猶如大腦中的血管，支撐著(zhù)大腦的運作。

　　為了支持數據的暢通流動(dòng)，網(wǎng)絡(luò )交換芯片的首要指標就是吞吐率。在今天，為了支持高速以太網(wǎng)(10-40 Gb/s)，主流的網(wǎng)絡(luò )交換芯片的吞吐率已經(jīng)至少達到了1Tb/s，一些更高端的芯片甚至可以實(shí)現3-6 Tb/s。網(wǎng)絡(luò )交換芯片支持的吞吐率越大，就能支持越多路高速以太網(wǎng)端口。

　　目前，中高端網(wǎng)絡(luò )交換芯片的主宰者毫無(wú)疑問(wèn)是以寬帶芯片起家的博通。根據Linley Group的調查，2015年高速以太網(wǎng)(10-40 Gb/s)芯片領(lǐng)域市場(chǎng)總量大約有6.9億美元，而博通占據了令人咋舌的94.5%份額。去年下半年，博通推出了Tomahawk II系列芯片，該網(wǎng)絡(luò )交換芯片支持64路100 Gb/s超高速以太網(wǎng)，總吞吐量可達6.4 Tb/s，無(wú)疑是占領(lǐng)了技術(shù)的制高點(diǎn)。

　　博通的Tomahawk II網(wǎng)絡(luò )交換芯片代表了目前網(wǎng)絡(luò )交換芯片的技術(shù)制高點(diǎn)

　　然而，隨著(zhù)數據中心變得越來(lái)越普及越來(lái)越重要，也有更多的網(wǎng)絡(luò )交換芯片公司加入戰團。在上周于美國加州舉行的Open Compute Project展會(huì )上，一家名叫Nephos的公司展示了與博通Tomahawk II同樣具有6.4 TB/s的網(wǎng)絡(luò )交換芯片組。Nephos是希臘語(yǔ)“云”的意思，可見(jiàn)Nephos從創(chuàng )立之初就是朝著(zhù)云計算中心的市場(chǎng)去的。

　　Nephos背后的臺灣半導體巨頭

　　雖然之前行事低調，但Nephos的來(lái)頭并不小，它的實(shí)際掌控人是聯(lián)發(fā)科。2012年，聯(lián)發(fā)科內部成立了數據中心部門(mén)，并在2016年獨立出來(lái)成為了Nephos。目前Nephos有130名員工，經(jīng)過(guò)A輪融資，估值為3億美元，而聯(lián)發(fā)科擁有它75%的股份。

　　Nephos的團隊在發(fā)布這款6.4 Tb/s網(wǎng)絡(luò )交換芯片之前，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多年積累，去年發(fā)布的1 Tb/s帶寬的網(wǎng)絡(luò )交換芯片已經(jīng)運行在中國的一個(gè)數據中心里。

　　除了聯(lián)發(fā)科之外，Nephos還得到了臺積電的技術(shù)支持。臺積電的InFo封裝技術(shù)在Nephos的超高速網(wǎng)絡(luò )交換芯片中起了巨大的作用。臺積電的InFO封裝技術(shù)可以把多塊芯片在硅載片上集成在一起，在硅載片上可以實(shí)現高密度的互聯(lián)線(xiàn)，從而實(shí)現芯片間超高帶寬，低延遲且高質(zhì)量的數據傳輸。

　　之前，臺積電的InFO技術(shù)已經(jīng)應用在蘋(píng)果的處理器中，而Nephos則利用InFO把兩塊吞吐量為3.2 Tb/s的芯片集成在一塊硅載片上，從而以較低的成本實(shí)現6.4 Tb/s的超高吞吐量網(wǎng)絡(luò )交換芯片組。除此之外，Nephos利用母公司聯(lián)發(fā)科的關(guān)系，還能夠獲得臺積電的先進(jìn)工藝產(chǎn)能，這在高性能網(wǎng)絡(luò )交換芯片的競爭中也是一個(gè)重要優(yōu)勢。

　　市場(chǎng)上的其他競爭者

　　除了Nephos之外，Marvell，Mellanox，Cavium，Barefoot等廠(chǎng)商也在積極地推出產(chǎn)品以搶占市場(chǎng)。除了芯片廠(chǎng)商外，數據中心也不愿意看到博通在網(wǎng)絡(luò )交換芯片市場(chǎng)寡頭壟斷。目前，博通網(wǎng)絡(luò )交換芯片的報價(jià)是每100 Gb/s的網(wǎng)絡(luò )端口60美元，也就是說(shuō)每塊Tomahawk II芯片(支持64路100 Gb/s端口)要賣(mài)4000美元!不過(guò)，在數據中心和其他競爭廠(chǎng)商的合力下，到2020年預計每個(gè)網(wǎng)絡(luò )端口的報價(jià)會(huì )下降到36美元。

　　在網(wǎng)絡(luò )交換芯片的競爭廠(chǎng)商中，Barefoot無(wú)疑是另一家吸引了許多人目光的初創(chuàng )企業(yè)。Barefoot的突破在于使用軟件定義的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。在傳統網(wǎng)絡(luò )交換芯片(如博通的產(chǎn)品)中，一款芯片只能處理一種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，因此如果在短時(shí)間內網(wǎng)絡(luò )協(xié)議更新?lián)Q代，就必須使用新的對應的網(wǎng)絡(luò )交換芯片。針對這個(gè)問(wèn)題，Barefoot推出了軟件定義網(wǎng)絡(luò )(software-defined network)，因此Barefoot的網(wǎng)絡(luò )交換芯片可以使用軟件編程的方式修改芯片支持的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，從而一塊芯片就可以支持多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。而且在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議改變時(shí)，理論上不需要換新的芯片就可以支持新的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。為了實(shí)現軟件編程，Barefoot還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一種描述網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的語(yǔ)言(P4)，用來(lái)編程自己的芯片去實(shí)現各種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

　　Barefoot這種軟件定義網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的架構得到了互聯(lián)網(wǎng)巨頭的肯首。Facebook等互聯(lián)網(wǎng)公司都在尋找一種可定制化且快速迭代的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。很顯然，這種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議如果使用傳統的ASIC無(wú)法實(shí)現可定制化，因為沒(méi)有芯片廠(chǎng)商會(huì )為一家互聯(lián)網(wǎng)公司定制一款芯片，就算能錢(qián)多到互聯(lián)網(wǎng)公司自己設計制造芯片，快速迭代也無(wú)從說(shuō)起，因為一款芯片的設計上市周期可達一年至一年半，跟不上網(wǎng)絡(luò )協(xié)議迭代的進(jìn)度。但是如今有了Barefoot的軟件定義網(wǎng)絡(luò )交換芯片，一切都可以成為現實(shí)。

　　不過(guò)，Barefoot的軟件定義網(wǎng)絡(luò )能否得到大規模應用還需時(shí)間考驗。就目前而言，大多數數據中心實(shí)用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議都是標準協(xié)議，因此博通的網(wǎng)絡(luò )交換芯片已經(jīng)足夠使用。相對于Barefoot激進(jìn)的軟件定義網(wǎng)絡(luò )，Nephos使用了一種折衷的辦法，即所有的芯片都可以使用同一套驅動(dòng)和開(kāi)發(fā)軟件，換句話(huà)說(shuō)在配套軟件和應用開(kāi)發(fā)完成后，即使升級網(wǎng)絡(luò )使用了更高級的Nephos芯片，之前開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)和軟件應用也無(wú)需修改。

　　除了Barefoot之外，另外一些互聯(lián)網(wǎng)巨頭的動(dòng)作也值得注意，即微軟和亞馬遜在自己的數據中心中引入FPGA。這些FPGA除了能在深度學(xué)習和圖像處理等地方加速外，還能處理網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，因此也可以實(shí)現類(lèi)似Barefoot的快速配置兼容新網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的功能。然而，FPGA的問(wèn)題在于SerDes，通常的FPGA芯片上不會(huì )大規模集成高速SerDes，然而高速SerDes確是網(wǎng)絡(luò )交換芯片的關(guān)鍵之一。例如，在博通的Tomahawk II芯片上，集成了256個(gè)運行在25 Gb/s的高速SerDes，這在FPGA芯片上是不太可能看到的。因此，FPGA想要替代網(wǎng)絡(luò )交換芯片目前暫時(shí)可能性不大，但是可以作為固定功能網(wǎng)絡(luò )交換芯片的一個(gè)補充。

　　中國公司正在迎頭趕上

　　可喜的是，中國公司也在網(wǎng)絡(luò )交換芯片的競爭中占有一席之地。獲得國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金領(lǐng)投3.1億元戰略投資的盛科網(wǎng)絡(luò )推出了累積帶寬達1.2 Tb/s的芯片，雖然離博通尚有距離，但是已經(jīng)能在市場(chǎng)上擁有自己的位置。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和數據中心在中國的發(fā)展，相信國產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )交換芯片也會(huì )發(fā)展越來(lái)越快。數據中心里的芯片除了處理超高交換帶寬的交換芯片外，與纜線(xiàn)接口的前端芯片也非常重要，前端芯片決定了接收信號的質(zhì)量，同時(shí)也部分決定了最高可實(shí)現的帶寬。在這方面，位于上海的初創(chuàng )公司PhotonIC的產(chǎn)品處在了全國甚至世界領(lǐng)先的位置，該公司的產(chǎn)品主要針對的是使用光纖通信使用的超高速SerDes。

　　另一方面，為了實(shí)現超高帶寬，網(wǎng)絡(luò )芯片必須使用最先進(jìn)的工藝，因此要實(shí)現網(wǎng)絡(luò )交換芯片全國產(chǎn)化，中國的半導體Fab也需要努力。