隨著移動和企業網絡流量的大幅增長，數據洪流正在推動基站、路由器、網關和其他網絡系統的架構發生重大變化。為了在流量和速度不斷增長的情況下保持高性能，下一代通信處理器將多核處理器與 SoC IC 中的專用硬件加速引擎相結合。

以下討論探討了 SoC 在當今網絡基礎設施中的作用，以及 SoC 在未來幾年將如何發展。在這樣做之前，考慮一些推動這種需求的趨勢是有益的。

壓力越來越大的網絡

在移動網絡中，每用戶接入帶寬正以一個數量級以上的速度增長，從 3G 網絡中的 200-300 Mbps 到 4G 長期演進 （LTE） 網絡中的 3-5 Gbps。先進的 LTE 技術將帶寬再次翻倍至 5-10 Gbps。更高速度的接入網絡將需要更多更小的小區來可靠地向越來越多的移動設備提供這些數據速率。

為了應對這些和其他趨勢，移動基站的功能正在發生重大變化。多個無線電被用于類似云的分布式天線系統中。網絡拓撲正在扁平化。運營商正在提供先進的服務質量 （QoS） 和基于位置的服務，并轉向應用感知計費。流量的增加將開始給網絡的接入和回程部分帶來相當大的壓力。

數據中心網絡中的流量同樣呈爆炸式增長。組織正在尋求在虛擬機上進行無限規模的計算工作負載，這打破了許多傳統的網絡協議和程序。網絡本身也變得虛擬化，并轉向網絡即服務 （NaaS） 范式，這推動組織采用更靈活的軟件定義網絡 （SDN） 架構。

這些趨勢將把數據中心轉變為具有面向服務網絡的私有云。這種私有云需要與混合安排中的公共云產品更無縫、更安全地交互。結果將是整個網絡需要更高的智能、可擴展性和靈活性。

摩爾定律跟不上步伐

曾幾何時，摩爾定律（處理器性能每 18 個月左右翻一番）足以滿足計算和網絡需求。計算機和網絡設備的硬件和軟件同步先進。隨著軟件添加了更多更復雜的功能，處理器的進步保持了令人滿意的性能水平。但隨之而來的是數據泛濫。

例如，在移動網絡中，流量以每年約 78% 的速度增長，這主要是由于視頻流量的增加。這已經造成了相當大的擁堵，而且當到 2016 年估計有 500 億移動設備在使用并且未來十年總流量增長 50 倍時，問題只會變得更糟。

在數據中心，數據量和速度也呈指數級增長。根據 IDC 的數據，數字數據的創建以每年 60% 的速度增長。該研究公司的數字宇宙研究預測，從 2009 年到 2020 年，年度數據創建量將增長 44 倍，達到 35 澤字節（35 萬億千兆字節）。所有這些數據都必須移動、存儲和分析，這使得大數據成為當今大多數組織的大問題。

隨著數據泛濫對網絡基礎設施的要求越來越高，供應商通過在網絡設備中添加新的基于軟件的特性和功能來解決這個問題。軟件現在變得如此復雜，以至于硬件已經落后。硬件趕上的一種方法是使用具有多核的處理器。如果一個通用處理器不夠用，請嘗試兩個、四個、16 個或更多。

提高硬件性能的另一種方法是將新的多核技術與舊的精簡指令集計算 （RISC） 技術相結合。使用 RISC，less 更多地基于統一的寄存器文件加載/存儲架構和簡單的尋址模式。例如，ARM 對基本 RISC 架構進行了一些改進，以實現高性能、小代碼大小、低功耗和小硅面積的更好平衡，最后兩個因素對于增加核心數量很重要。

需要硬件加速，但是……

通用處理器，無論內核數量如何，對于必須在每個數據包內部運行的功能來說都太慢了，例如數據包分類、加密安全和流量管理，這些都是智能 QoS 所需的。由于這些功能通常必須以串行方式執行，因此在多個內核中同時處理它們的機會有限。由于這些原因，此類功能長期以來一直在硬件中執行，并且在專用 SoC 通信處理器中將這些硬件加速器與多核處理器集成在一起變得越來越普遍。

可用的特定功能加速引擎的數量也在繼續增長，現在可以在單個 SoC 上放置更多引擎（以及更多內核）。加速引擎的示例包括數據包分類、深度數據包檢測、加密/解密、數字信號處理、轉碼和流量管理。現在甚至可以將系統供應商的獨特知識產權集成到 SoC 內的定制加速引擎中。總而言之，這些進步使得在許多網絡系統中用單個 SoC 替換多個 SoC 成為可能（參見圖 1）。

圖 1： SoC 通信處理器將多個通用處理器內核與多個特定任務加速引擎相結合，以更少的組件數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 還降低了設備成本，從而顯著提高了性價比。此外，緊密耦合多個加速引擎的能力使其更容易滿足端到端的 QoS 和服務級別協議要求。SoC 在功耗方面還具有明顯的優勢，功耗是網絡基礎設施中越來越重要的考慮因素，因為它能夠在單個節能 IC 中替換多個分立元件。

當今 SoC 的強大功能使得將數據包處理完全卸載到路由器或交換機等系統線卡成為可能。在 IP 多媒體系統和 SDN 等分布式架構中，卸載可以類似地分布在多個系統之間，包括服務器。

盡管硬件加速是必要的，但如今在某些 SoC 中實現它的方式在需要確定性性能的應用中可能不再足夠。當數據包必須通過多個硬件加速器時，該問題是由 SoC 本身的工作流引起的，對于負責檢查、轉換、保護和以其他方式操縱流量的系統來說，這種情況越來越多。

如果流量每次通過不同的加速引擎時都必須由通用處理器處理，則延遲會顯著增加，并且無法在所有情況下都保證確定性性能。隨著以太網中的數據速率從 1 Gbps 增加到 10 Gbps，移動網絡中的數據速率從 3G 網絡中的 300 Mbps 增加到 4G 網絡中的 5 Gbps，這個問題將變得更加嚴重。

下一代多核 SoC

LSI 使用虛擬管道技術解決了其 Axxia SoC 中的數據路徑問題。虛擬管道創建了一個消息傳遞控制路徑，使系統設計人員能夠動態指定需要多個加速引擎的不同組合的不同數據包處理流程。然后，每個流量都直接通過任何引擎以任何所需的順序進行處理，而無需通用處理器的干預。這種設計本身支持將不同的異構內核連接在一起，從而實現更大的靈活性和更好的功耗優化。

除了更快、更高效的數據包處理之外，下一代 SoC 還包括更多通用處理器內核（至 32、64 及以上）、高度可擴展和低延遲的互連、無阻塞交換以及更廣泛的標準接口選擇（串行 RapidIO、PCI Express、USB、I2C 和 SATA）和更高速的以太網接口（1G、2.5G、10G 和 40G+）。為了輕松地將這些日益復雜的功能集成到系統設計中，軟件開發工具包通過簡化開發、測試、調試和優化任務的工具得到了增強。

下一代 SoC IC 可加快新產品的上市時間，同時降低制造成本和功耗。憑借超過 40 Gbps 的數據速率的確定性性能，嵌入式硬件再次準備好適應未來三到四年數據洪流所需的任何額外功能。

審核編輯：郭婷