面向移動(dòng)高端裝備的銀河衡芯敏捷交換芯片

楊 惠 李 韜 劉汝霖 呂高鋒 孫志剛

(國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)

(huihui19870124＠126.com)

隨著裝備智能化、信息化的發(fā)展,衛(wèi)星、艦船等移動(dòng)高端裝備亟需具備高算力的集中式計(jì)算平臺(tái)[1]為數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、處理、分發(fā)提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)支撐[2-3].然而,移動(dòng)高端裝備在體積、重量和功耗等方面受到諸多限制.

在受限條件下,移動(dòng)高端裝備集中式計(jì)算平臺(tái)要求承載異構(gòu)資源互連的交換網(wǎng)絡(luò)具有3方面的敏捷交換能力:1)高能效、低功耗交換,以滿(mǎn)足平臺(tái)部署在空間、散熱等方面的要求;2)端到端的系統(tǒng)級(jí)解決方案,降低平臺(tái)開(kāi)發(fā)部署復(fù)雜度,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)透明化;3)卸載加速能力,有效減輕計(jì)算資源的負(fù)載,提升系統(tǒng)整體算力.現(xiàn)有商用網(wǎng)絡(luò)交換芯片,如Broadcom、盛科[4]等,主要面向數(shù)據(jù)中心、園區(qū)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等大規(guī)模固定網(wǎng)絡(luò),出于市場(chǎng)與成本考慮,更強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)豐富的功能協(xié)議集合,支持大規(guī)模、高性能的網(wǎng)絡(luò)交換,難以滿(mǎn)足高能效、低功耗等敏捷連接需求.最重要的是,基于商用網(wǎng)絡(luò)交換/網(wǎng)卡芯片構(gòu)建集中式計(jì)算平臺(tái),需集成多芯片廠商的驅(qū)動(dòng)、交換及網(wǎng)卡芯片,定義網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)管代理通信接口和協(xié)議,驅(qū)動(dòng)適配和調(diào)試工作繁瑣復(fù)雜,用戶(hù)開(kāi)發(fā)難度大.

國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院針對(duì)上述問(wèn)題,提出了基于以太網(wǎng)的低功耗、端到端敏捷交換解決方案,主要包括系列化敏捷交換芯片、端適配器和網(wǎng)絡(luò)控制器.作為系列化敏捷交換芯片中的一款多萬(wàn)兆數(shù)據(jù)交換芯片,HX-DS40針對(duì)集中式計(jì)算平臺(tái)異構(gòu)資源的敏捷互連需求,在架構(gòu)、功能上進(jìn)行了深入優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了協(xié)議無(wú)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)和基于應(yīng)用標(biāo)記的交換功能,從而支持應(yīng)用層精細(xì)交換和異構(gòu)資源統(tǒng)一連接,可為打造下一代移動(dòng)高端裝備的高能效、低功耗、高算力集中式計(jì)算平臺(tái)提供有力支撐.

1 芯片概述

國(guó)產(chǎn)銀河衡芯敏捷交換芯片HX-DS40如圖1所示,于2020年7月流片成功,采用324引腳塑封BGA封裝,尺寸15 mm×15 mm,焊球節(jié)距0.8 mm,典型功耗1.6 W.HX-DS40提供4個(gè)萬(wàn)兆以太網(wǎng)接口和4個(gè)千兆以太網(wǎng)接口,支持全端口線速轉(zhuǎn)發(fā)交換處理.支持基于10 GBASE-R/KR背板傳輸協(xié)議的板間高速互連.此外,HX-DS40具備多種應(yīng)用模式,包括獨(dú)立應(yīng)用模式、協(xié)處理模式以及堆疊擴(kuò)展模式等.

Fig.1 HX-DS40 chip圖1 HX-DS40芯片

HX-DS40支持基于L2-L7協(xié)議以及用戶(hù)自定義協(xié)議的分組交換、應(yīng)用層交換與卸載加速、輕量化管理控制功能.

1)協(xié)議無(wú)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā).HX-DS40采用協(xié)議無(wú)關(guān)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù),支持基于L2-L7協(xié)議的分組交換和自定義轉(zhuǎn)發(fā),可有效支撐通專(zhuān)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的高性能轉(zhuǎn)發(fā)處理.

2)應(yīng)用層交換與卸載加速.HX-DS40提供超寬位搜索匹配引擎,支持寬度超600 b的關(guān)鍵字搜索,從而可實(shí)現(xiàn)基于應(yīng)用層信息的交換;此外,基于元數(shù)據(jù)的分組交換結(jié)構(gòu),可以有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)查表搜索功能的卸載與加速,減輕CPU網(wǎng)絡(luò)處理負(fù)載.

3)輕量化管理控制.HX-DS40提供以太網(wǎng)、SPI和I2C輕量化管理配置接口,支持通過(guò)外置EPLD,EEPROM等方式的管理配置,從而避免集成復(fù)雜CPU配置系統(tǒng).

2 創(chuàng)新特點(diǎn)

商用以太網(wǎng)交換芯片,通常面向數(shù)據(jù)中心等大規(guī)模固定網(wǎng)絡(luò)交換需求,強(qiáng)調(diào)匹配引擎的表項(xiàng)數(shù)目、功能及協(xié)議的豐富程度[5],支持百萬(wàn)級(jí)流量的轉(zhuǎn)發(fā)、交換管理.敏捷交換芯片更多針對(duì)移動(dòng)高端裝備集中式計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求,強(qiáng)調(diào)高能效、低功耗,以提供空間、散熱受限條件下的高效敏捷連接;強(qiáng)調(diào)匹配引擎的表項(xiàng)寬度,以提供上層的精細(xì)化流量識(shí)別和交換管理;強(qiáng)調(diào)平臺(tái)異構(gòu)資源的統(tǒng)一連接和卸載加速,為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互,支撐業(yè)務(wù)優(yōu)化.

1)高能效與低功耗

與數(shù)據(jù)中心等固定平臺(tái)信息處理裝備不同,機(jī)載、車(chē)載、艦載等移動(dòng)裝備平臺(tái)通常采用小型VPX、CPCI單板或多槽機(jī)箱形式集成計(jì)算、加速等資源,在供電、散熱等方面要求高,高能效、低功耗的敏捷交換芯片具有更廣泛的應(yīng)用.HX-DS40采用高效能、低功耗的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化等設(shè)計(jì)方法,44 Gbps(單向)吞吐率下功耗為1.6 W.與應(yīng)用廣泛的某國(guó)產(chǎn)120 Gbps以太網(wǎng)交換芯片相比,性能功耗比提升3倍以上(27.5 Gbps/W與7.5 Gbps/W).

2)應(yīng)用層交換

商用以太網(wǎng)交換芯片(如BCM53346,CTC5160等)通常支持L2～L3端到端的交換,缺乏根據(jù)目的主機(jī)應(yīng)用需求動(dòng)態(tài)交換數(shù)據(jù)的能力.部分以太網(wǎng)交換芯片提供L4交換功能,允許用基于目的地址、目的端口號(hào)(應(yīng)用服務(wù))的組合進(jìn)行流量管理.然而,對(duì)于流量負(fù)載均衡,感知到端口業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是流媒體還是XML等數(shù)據(jù)對(duì)象請(qǐng)求,對(duì)規(guī)劃系統(tǒng)處理資源非常關(guān)鍵.移動(dòng)高端裝備集中式計(jì)算平臺(tái)主要承載Web服務(wù)以及分布式計(jì)算業(yè)務(wù),因此,實(shí)現(xiàn)基于HTTP請(qǐng)求、Cookie等的應(yīng)用層交換,對(duì)保證不同類(lèi)型內(nèi)容的流量差別及策略服務(wù),以及實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸流和內(nèi)容的精細(xì)控制極為重要.應(yīng)用層交換可為負(fù)載均衡、內(nèi)容緩存等優(yōu)化技術(shù)提供基礎(chǔ)支撐.

3)統(tǒng)一連接與卸載加速

算力提供是面向移動(dòng)國(guó)產(chǎn)高端裝備中集中式計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建的核心目標(biāo).集中式計(jì)算平臺(tái)在有限集成度限制內(nèi),提供高算力的方法主要依賴(lài)于異構(gòu)計(jì)算資源集成以及卸載加速.敏捷交換芯片通過(guò)定義和支持基于統(tǒng)一元數(shù)據(jù)格式的連接,可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的統(tǒng)一連接,為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互與計(jì)算處理接口和模型.此外,協(xié)議無(wú)關(guān)的模塊化深度流水交換架構(gòu)可以有效卸載網(wǎng)絡(luò)分組的解析、查表、動(dòng)作等耗費(fèi)CPU的功能及操作,從而避免網(wǎng)絡(luò)處理對(duì)CPU算力的占用.

3 芯片架構(gòu)

敏捷交換芯片HX-DS40采用基于集中緩存的模塊化深度流水交換架構(gòu),如圖2所示.作為I/O密集型芯片,采用集中緩存結(jié)構(gòu)可以有效降低分組數(shù)據(jù)搬移造成的動(dòng)態(tài)功耗.模塊化深度流水架構(gòu)能夠有效提升芯片的處理性能和可擴(kuò)展性,為形成高中低端系列化敏捷交換芯片提供架構(gòu)支撐.

Fig.2 The architecture of HX-DS40圖2 HX-DS40架構(gòu)示意圖

作為敏捷交換芯片的核心引擎,通配及精確匹配引擎設(shè)計(jì)采用了相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),以滿(mǎn)足移動(dòng)高端裝備平臺(tái)的特殊要求.

1)基于通用存儲(chǔ)的超寬通配匹配引擎.采用基于SRAM＋寄存器混合的通配匹配實(shí)現(xiàn)技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)基于TCAM器件實(shí)現(xiàn)方式而言,在能耗、搜索寬度、可擴(kuò)展性方面更具優(yōu)勢(shì),可有效支撐應(yīng)用層交換和卸載加速需求.

2)基于Bucket的改進(jìn)精確匹配引擎.基于并行Cukoo Hash解決匹配沖突問(wèn)題.此外,通過(guò)增加基于Bucket的通配匹配能力,擴(kuò)展了精確匹配引擎對(duì)通配規(guī)則的支撐能力,有效提升了精確匹配引擎的靈活性.在資源受限情況下,實(shí)現(xiàn)了敏捷交換芯片對(duì)于通配匹配能力的擴(kuò)展需求.

4 原型系統(tǒng)與測(cè)試

基于銀河衡芯敏捷交換芯片HX-DS40構(gòu)建了面向移動(dòng)裝備的嵌入式超算原型系統(tǒng),如圖3所示.嵌入式超算原型系統(tǒng)中,HX-DS40實(shí)現(xiàn)了通用多核CPU、高性能FPGA等異構(gòu)計(jì)算及加速資源的統(tǒng)一連接,形成了面向應(yīng)用的卸載加速能力.基于該原型系統(tǒng),對(duì)敏捷交換芯片的線速轉(zhuǎn)發(fā)、功能卸載等能力進(jìn)行驗(yàn)證,測(cè)試HX-DS40吞吐率和加速卸載處理延遲.由100 Gbps網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀構(gòu)建長(zhǎng)度為64～1 518 B的以太網(wǎng)報(bào)文,接口線速連接HX-DS40的4個(gè)萬(wàn)兆接口與4個(gè)千兆接口,原型系統(tǒng)中配置匹配表項(xiàng)進(jìn)行接口轉(zhuǎn)發(fā),并進(jìn)行報(bào)文收發(fā)數(shù)量統(tǒng)計(jì).如圖4所示,針對(duì)不同大小的報(bào)文的吞吐率測(cè)試結(jié)果表明,HX-DS40可滿(mǎn)足報(bào)文線速處理需求.另外,配置嵌入式超算原型系統(tǒng)中HX-DS40的加速卸載路徑,由網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀構(gòu)建長(zhǎng)度不同的以太網(wǎng)報(bào)文,報(bào)文經(jīng)由HX-DS40的一個(gè)萬(wàn)兆接口,進(jìn)入加速卸載路徑從另一個(gè)萬(wàn)兆接口轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀,測(cè)試儀測(cè)算路徑延時(shí),獲取HX-DS40的加速卸載延時(shí).查表加速卸載延遲實(shí)驗(yàn)表明,隨著報(bào)文尺寸的增大,加速卸載延遲有所增加,最大不超過(guò)3.275μs.然而,由于查表加速應(yīng)用中關(guān)鍵字通常不超過(guò)76 B(即64 B＋12 B),查表結(jié)果不超過(guò)64 B,分組頭部開(kāi)銷(xiāo)34 B,因此報(bào)文長(zhǎng)度一般不超過(guò)174 B.根據(jù)延遲測(cè)試結(jié)果,查表加速延遲通?？煽刂圃?μs延遲內(nèi).

Fig.3 Embedded supercomputing prototype system based on HX-DS40圖3 基于HX-DS40構(gòu)建的嵌入式超算原型系統(tǒng)

Fig.4 Performance analysis based on prototype system圖4 基于原型系統(tǒng)的性能分析