面向未来通信网络的下一代多核 SoC 架构

随着移动和企业网络流量的大幅增长，数据洪流正在推动基站、路由器、网关和其他网络系统的架构发生重大变化。为了在流量和速度不断增长的情况下保持高性能，下一代通信处理器将多核处理器与 SoC IC 中的专用硬件加速引擎相结合。

以下讨论探讨了 SoC 在当今网络基础设施中的作用，以及 SoC 在未来几年将如何发展。在这样做之前，考虑一些推动这种需求的趋势是有益的。

压力越来越大的网络

在移动网络中，每用户接入带宽正以一个数量级以上的速度增长，从 3G 网络中的 200-300 Mbps 到 4G 长期演进 （LTE） 网络中的 3-5 Gbps。先进的 LTE 技术将带宽再次翻倍至 5-10 Gbps。更高速度的接入网络将需要更多更小的小区来可靠地向越来越多的移动设备提供这些数据速率。

为了应对这些和其他趋势，移动基站的功能正在发生重大变化。多个无线电被用于类似云的分布式天线系统中。网络拓扑正在扁平化。运营商正在提供先进的服务质量 （QoS） 和基于位置的服务，并转向应用感知计费。流量的增加将开始给网络的接入和回程部分带来相当大的压力。

数据中心网络中的流量同样呈爆炸式增长。组织正在寻求在虚拟机上进行无限规模的计算工作负载，这打破了许多传统的网络协议和程序。网络本身也变得虚拟化，并转向网络即服务 （NaaS） 范式，这推动组织采用更灵活的软件定义网络 （SDN） 架构。

这些趋势将把数据中心转变为具有面向服务网络的私有云。这种私有云需要与混合安排中的公共云产品更无缝、更安全地交互。结果将是整个网络需要更高的智能、可扩展性和灵活性。

摩尔定律跟不上步伐

曾几何时，摩尔定律（处理器性能每 18 个月左右翻一番）足以满足计算和网络需求。计算机和网络设备的硬件和软件同步先进。随着软件添加了更多更复杂的功能，处理器的进步保持了令人满意的性能水平。但随之而来的是数据泛滥。

例如，在移动网络中，流量以每年约 78% 的速度增长，这主要是由于视频流量的增加。这已经造成了相当大的拥堵，而且当到 2016 年估计有 500 亿移动设备在使用并且未来十年总流量增长 50 倍时，问题只会变得更糟。

在数据中心，数据量和速度也呈指数级增长。根据 IDC 的数据，数字数据的创建以每年 60% 的速度增长。该研究公司的数字宇宙研究预测，从 2009 年到 2020 年，年度数据创建量将增长 44 倍，达到 35 泽字节（35 万亿千兆字节）。所有这些数据都必须移动、存储和分析，这使得大数据成为当今大多数组织的大问题。

随着数据泛滥对网络基础设施的要求越来越高，供应商通过在网络设备中添加新的基于软件的特性和功能来解决这个问题。软件现在变得如此复杂，以至于硬件已经落后。硬件赶上的一种方法是使用具有多核的处理器。如果一个通用处理器不够用，请尝试两个、四个、16 个或更多。

提高硬件性能的另一种方法是将新的多核技术与旧的精简指令集计算 （RISC） 技术相结合。使用 RISC，less 更多地基于统一的寄存器文件加载/存储架构和简单的寻址模式。例如，ARM 对基本 RISC 架构进行了一些改进，以实现高性能、小代码大小、低功耗和小硅面积的更好平衡，最后两个因素对于增加核心数量很重要。

需要硬件加速，但是……

通用处理器，无论内核数量如何，对于必须在每个数据包内部运行的功能来说都太慢了，例如数据包分类、加密安全和流量管理，这些都是智能 QoS 所需的。由于这些功能通常必须以串行方式执行，因此在多个内核中同时处理它们的机会有限。由于这些原因，此类功能长期以来一直在硬件中执行，并且在专用 SoC 通信处理器中将这些硬件加速器与多核处理器集成在一起变得越来越普遍。

可用的特定功能加速引擎的数量也在继续增长，现在可以在单个 SoC 上放置更多引擎（以及更多内核）。加速引擎的示例包括数据包分类、深度数据包检测、加密/解密、数字信号处理、转码和流量管理。现在甚至可以将系统供应商的独特知识产权集成到 SoC 内的定制加速引擎中。总而言之，这些进步使得在许多网络系统中用单个 SoC 替换多个 SoC 成为可能（参见图 1）。

图 1： SoC 通信处理器将多个通用处理器内核与多个特定任务加速引擎相结合，以更少的组件数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 还降低了设备成本，从而显着提高了性价比。此外，紧密耦合多个加速引擎的能力使其更容易满足端到端的 QoS 和服务级别协议要求。SoC 在功耗方面还具有明显的优势，功耗是网络基础设施中越来越重要的考虑因素，因为它能够在单个节能 IC 中替换多个分立元件。

当今 SoC 的强大功能使得将数据包处理完全卸载到路由器或交换机等系统线卡成为可能。在 IP 多媒体系统和 SDN 等分布式架构中，卸载可以类似地分布在多个系统之间，包括服务器。

尽管硬件加速是必要的，但如今在某些 SoC 中实现它的方式在需要确定性性能的应用中可能不再足够。当数据包必须通过多个硬件加速器时，该问题是由 SoC 本身的工作流引起的，对于负责检查、转换、保护和以其他方式操纵流量的系统来说，这种情况越来越多。

如果流量每次通过不同的加速引擎时都必须由通用处理器处理，则延迟会显着增加，并且无法在所有情况下都保证确定性性能。随着以太网中的数据速率从 1 Gbps 增加到 10 Gbps，移动网络中的数据速率从 3G 网络中的 300 Mbps 增加到 4G 网络中的 5 Gbps，这个问题将变得更加严重。

下一代多核 SoC

LSI 使用虚拟管道技术解决了其 Axxia SoC 中的数据路径问题。虚拟管道创建了一个消息传递控制路径，使系统设计人员能够动态指定需要多个加速引擎的不同组合的不同数据包处理流程。然后，每个流量都直接通过任何引擎以任何所需的顺序进行处理，而无需通用处理器的干预。这种设计本身支持将不同的异构内核连接在一起，从而实现更大的灵活性和更好的功耗优化。

除了更快、更高效的数据包处理之外，下一代 SoC 还包括更多通用处理器内核（至 32、64 及以上）、高度可扩展和低延迟的互连、无阻塞交换以及更广泛的标准接口选择（串行 RapidIO、PCI Express、USB、I2C 和 SATA）和更高速的以太网接口（1G、2.5G、10G 和 40G+）。为了轻松地将这些日益复杂的功能集成到系统设计中，软件开发工具包通过简化开发、测试、调试和优化任务的工具得到了增强。

下一代 SoC IC 可加快新产品的上市时间，同时降低制造成本和功耗。凭借超过 40 Gbps 的数据速率的确定性性能，嵌入式硬件再次准备好适应未来三到四年数据洪流所需的任何额外功能。

审核编辑：郭婷