網絡交換芯片主宰大數(shù)據(jù)時代 市場烽煙四起

　　大數(shù)據(jù)時代網絡交換芯片正當紅。

　　在本世紀的第二個十年，人類社會正式走入了大數(shù)據(jù)時代。在大數(shù)據(jù)時代，人類社會上有無數(shù)的設備(手機，電腦，智能可穿戴設備)在產生數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過網絡源源不斷地匯入數(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)通過網絡交換芯片(network chips)在服務器之間流動。如果說大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)中心是社會的大腦，那么網絡交換芯片猶如大腦中的血管，支撐著大腦的運作。

　　為了支持數(shù)據(jù)的暢通流動，網絡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(10-40 Gb/s)，主流的網絡交換芯片的吞吐率已經至少達到了1Tb/s，一些更高端的芯片甚至可以實現(xiàn)3-6 Tb/s。網絡交換芯片支持的吞吐率越大，就能支持越多路高速以太網端口。

　　目前，中高端網絡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的調查，2015年高速以太網(10-40 Gb/s)芯片領域市場總量大約有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，該網絡交換芯片支持64路100 Gb/s超高速以太網，總吞吐量可達6.4 Tb/s，無疑是占領了技術的制高點。

　　博通的Tomahawk II網絡交換芯片代表了目前網絡交換芯片的技術制高點

　　然而，隨著數(shù)據(jù)中心變得越來越普及越來越重要，也有更多的網絡交換芯片公司加入戰(zhàn)團。在上周于美國加州舉行的Open Compute Project展會上，一家名叫Nephos的公司展示了與博通Tomahawk II同樣具有6.4 TB/s的網絡交換芯片組。Nephos是希臘語“云”的意思，可見Nephos從創(chuàng)立之初就是朝著云計算中心的市場去的。

　　Nephos背后的臺灣半導體巨頭

　　雖然之前行事低調，但Nephos的來頭并不小，它的實際掌控人是聯(lián)發(fā)科。2012年，聯(lián)發(fā)科內部成立了數(shù)據(jù)中心部門，并在2016年獨立出來成為了Nephos。目前Nephos有130名員工，經過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的團隊在發(fā)布這款6.4 Tb/s網絡交換芯片之前，已經經過了多年積累，去年發(fā)布的1 Tb/s帶寬的網絡交換芯片已經運行在中國的一個數(shù)據(jù)中心里。

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

　　之前，臺積電的InFO技術已經應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現(xiàn)6.4 Tb/s的超高吞吐量網絡交換芯片組。除此之外，Nephos利用母公司聯(lián)發(fā)科的關系，還能夠獲得臺積電的先進工藝產能，這在高性能網絡交換芯片的競爭中也是一個重要優(yōu)勢。

　　市場上的其他競爭者

　　除了Nephos之外，Marvell，Mellanox，Cavium，Barefoot等廠商也在積極地推出產品以搶占市場。除了芯片廠商外，數(shù)據(jù)中心也不愿意看到博通在網絡交換芯片市場寡頭壟斷。目前，博通網絡交換芯片的報價是每100 Gb/s的網絡端口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)中心和其他競爭廠商的合力下，到2020年預計每個網絡端口的報價會下降到36美元。

　　在網絡交換芯片的競爭廠商中，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絡協(xié)議。在傳統(tǒng)網絡交換芯片(如博通的產品)中，一款芯片只能處理一種網絡協(xié)議，因此如果在短時間內網絡協(xié)議更新?lián)Q代，就必須使用新的對應的網絡交換芯片。針對這個問題，Barefoot推出了軟件定義網絡(software-defined network)，因此Barefoot的網絡交換芯片可以使用軟件編程的方式修改芯片支持的網絡協(xié)議，從而一塊芯片就可以支持多種網絡協(xié)議。而且在網絡協(xié)議改變時，理論上不需要換新的芯片就可以支持新的網絡協(xié)議。為了實現(xiàn)軟件編程，Barefoot還專門開發(fā)了一種描述網絡協(xié)議的語言(P4)，用來編程自己的芯片去實現(xiàn)各種網絡協(xié)議。

　　Barefoot這種軟件定義網絡協(xié)議的架構得到了互聯(lián)網巨頭的肯首。Facebook等互聯(lián)網公司都在尋找一種可定制化且快速迭代的網絡協(xié)議。很顯然，這種網絡協(xié)議如果使用傳統(tǒng)的ASIC無法實現(xiàn)可定制化，因為沒有芯片廠商會為一家互聯(lián)網公司定制一款芯片，就算能錢多到互聯(lián)網公司自己設計制造芯片，快速迭代也無從說起，因為一款芯片的設計上市周期可達一年至一年半，跟不上網絡協(xié)議迭代的進度。但是如今有了Barefoot的軟件定義網絡交換芯片，一切都可以成為現(xiàn)實。

　　不過，Barefoot的軟件定義網絡能否得到大規(guī)模應用還需時間考驗。就目前而言，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心實用的網絡協(xié)議都是標準協(xié)議，因此博通的網絡交換芯片已經足夠使用。相對于Barefoot激進的軟件定義網絡，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和開發(fā)軟件，換句話說在配套軟件和應用開發(fā)完成后，即使升級網絡使用了更高級的Nephos芯片，之前開發(fā)的驅動和軟件應用也無需修改。

　　除了Barefoot之外，另外一些互聯(lián)網巨頭的動作也值得注意，即微軟和亞馬遜在自己的數(shù)據(jù)中心中引入FPGA。這些FPGA除了能在深度學習和圖像處理等地方加速外，還能處理網絡協(xié)議，因此也可以實現(xiàn)類似Barefoot的快速配置兼容新網絡協(xié)議的功能。然而，F(xiàn)PGA的問題在于SerDes，通常的FPGA芯片上不會大規(guī)模集成高速SerDes，然而高速SerDes確是網絡交換芯片的關鍵之一。例如，在博通的Tomahawk II芯片上，集成了256個運行在25 Gb/s的高速SerDes，這在FPGA芯片上是不太可能看到的。因此，F(xiàn)PGA想要替代網絡交換芯片目前暫時可能性不大，但是可以作為固定功能網絡交換芯片的一個補充。

　　中國公司正在迎頭趕上

　　可喜的是，中國公司也在網絡交換芯片的競爭中占有一席之地。獲得國家集成電路產業(yè)基金領投3.1億元戰(zhàn)略投資的盛科網絡推出了累積帶寬達1.2 Tb/s的芯片，雖然離博通尚有距離，但是已經能在市場上擁有自己的位置。隨著互聯(lián)網和數(shù)據(jù)中心在中國的發(fā)展，相信國產網絡交換芯片也會發(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的質量，同時也部分決定了最高可實現(xiàn)的帶寬。在這方面，位于上海的初創(chuàng)公司PhotonIC的產品處在了全國甚至世界領先的位置，該公司的產品主要針對的是使用光纖通信使用的超高速SerDes。

　　另一方面，為了實現(xiàn)超高帶寬，網絡芯片必須使用最先進的工藝，因此要實現(xiàn)網絡交換芯片全國產化，中國的半導體Fab也需要努力。