網(wǎng)絡(luò)交換芯片主宰大數(shù)據(jù)時(shí)代 市場(chǎng)烽煙四起

　　大數(shù)據(jù)時(shí)代網(wǎng)絡(luò)交換芯片正當(dāng)紅。

　　在本世紀(jì)的第二個(gè)十年，人類社會(huì)正式走入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，人類社會(huì)上有無數(shù)的設(shè)備(手機(jī)，電腦，智能可穿戴設(shè)備)在產(chǎn)生數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)源源不斷地匯入數(shù)據(jù)中心，猶如小溪匯入海洋。在數(shù)據(jù)中心，這些海量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)交換芯片(network chips)在服務(wù)器之間流動(dòng)。如果說大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)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，支撐著大腦的運(yùn)作。

　　為了支持?jǐn)?shù)據(jù)的暢通流動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)交換芯片的首要指標(biāo)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(dá)到了1Tb/s，一些更高端的芯片甚至可以實(shí)現(xiàn)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疑問是以寬帶芯片起家的博通。根據(jù)Linley Group的調(diào)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(jù)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(dá)6.4 Tb/s，無疑是占領(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，隨著數(shù)據(jù)中心變得越來越普及越來越重要，也有更多的網(wǎng)絡(luò)交換芯片公司加入戰(zhàn)團(tuán)。在上周于美國(guó)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Nephos從創(chuàng)立之初就是朝著云計(jì)算中心的市場(chǎng)去的。

　　Nephos背后的臺(tái)灣半導(dǎo)體巨頭

　　雖然之前行事低調(diào)，但Nephos的來頭并不小，它的實(shí)際掌控人是聯(lián)發(fā)科。2012年，聯(lián)發(fā)科內(nèi)部成立了數(shù)據(jù)中心部門，并在2016年獨(dú)立出來成為了Nephos。目前Nephos有130名員工，經(jīng)過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(tuán)隊(duì)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(yùn)行在中國(guó)的一個(gè)數(shù)據(jù)中心里。

　　除了聯(lián)發(fā)科之外，Nephos還得到了臺(tái)積電的技術(shù)支持。臺(tái)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(tái)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(xiàn)高密度的互聯(lián)線，從而實(shí)現(xiàn)芯片間超高帶寬，低延遲且高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。

　　之前，臺(tái)積電的InFO技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在蘋果的處理器中，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(xiàn)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(tái)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(jìng)爭(zhēng)中也是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

　　市場(chǎng)上的其他競(jìng)爭(zhēng)者

　　除了Nephos之外，Marvell，Mellanox，Cavium，Barefoot等廠商也在積極地推出產(chǎn)品以搶占市場(chǎng)。除了芯片廠商外，數(shù)據(jù)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(bào)價(jià)是每100 Gb/s的網(wǎng)絡(luò)端口60美元，也就是說每塊Tomahawk II芯片(支持64路100 Gb/s端口)要賣4000美元!不過，在數(shù)據(jù)中心和其他競(jìng)爭(zhēng)廠商的合力下，到2020年預(yù)計(jì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口的報(bào)價(jià)會(huì)下降到36美元。

　　在網(wǎng)絡(luò)交換芯片的競(jìng)爭(zhēng)廠商中，Barefoot無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(tǒng)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(nèi)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更新?lián)Q代，就必須使用新的對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)交換芯片。針對(duì)這個(gè)問題，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(xiàn)軟件編程，Barefoot還專門開發(fā)了一種描述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的語(yǔ)言(P4)，用來編程自己的芯片去實(shí)現(xiàn)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(gòu)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(tǒng)的ASIC無法實(shí)現(xiàn)可定制化，因?yàn)闆]有芯片廠商會(huì)為一家互聯(lián)網(wǎng)公司定制一款芯片，就算能錢多到互聯(lián)網(wǎng)公司自己設(shè)計(jì)制造芯片，快速迭代也無從說起，因?yàn)橐豢钚酒脑O(shè)計(jì)上市周期可達(dá)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(xiàn)實(shí)。

　　不過，Barefoot的軟件定義網(wǎng)絡(luò)能否得到大規(guī)模應(yīng)用還需時(shí)間考驗(yàn)。就目前而言，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(qū)動(dòng)和開發(fā)軟件，換句話說在配套軟件和應(yīng)用開發(fā)完成后，即使升級(jí)網(wǎng)絡(luò)使用了更高級(jí)的Nephos芯片，之前開發(fā)的驅(qū)動(dòng)和軟件應(yīng)用也無需修改。

　　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(shù)據(jù)中心中引入FPGA。這些FPGA除了能在深度學(xué)習(xí)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(xiàn)類似Barefoot的快速配置兼容新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的功能。然而，F(xiàn)PGA的問題在于SerDes，通常的FPGA芯片上不會(huì)大規(guī)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(yùn)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，F(xiàn)PGA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(bǔ)充。

　　中國(guó)公司正在迎頭趕上

　　可喜的是，中國(guó)公司也在網(wǎng)絡(luò)交換芯片的競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。獲得國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)基金領(lǐng)投3.1億元戰(zhàn)略投資的盛科網(wǎng)絡(luò)推出了累積帶寬達(dá)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。隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心在中國(guó)的發(fā)展，相信國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)交換芯片也會(huì)發(fā)展越來越快。數(shù)據(jù)中心里的芯片除了處理超高交換帶寬的交換芯片外，與纜線接口的前端芯片也非常重要，前端芯片決定了接收信號(hào)的質(zhì)量，同時(shí)也部分決定了最高可實(shí)現(xiàn)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(guó)甚至世界領(lǐng)先的位置，該公司的產(chǎn)品主要針對(duì)的是使用光纖通信使用的超高速SerDes。

　　另一方面，為了實(shí)現(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換芯片全國(guó)產(chǎn)化，中國(guó)的半導(dǎo)體Fab也需要努力。