FPGA 成为有线通信的中流砥柱FPGA 成为有线通信的中流砥柱 - Xilinx

作者:Mike Santarini
Xcell Journal杂志发行人
赛灵思公司
mike.santarini@xilinx.com
有线通信行业对速度有着永远无法
满足的无尽需求。15 年前,数据传输速
率(也叫带宽)一般只有每秒数十万比
特(bps)。而今天,网络可以在全球范
围内以 10 Gbps 的速度传输数据,有时
甚至可以达到太比特的速度。在这一发
展过程中,FPGA 发挥了非常重要的作
用,随着 FPGA 技术象摩尔定律规定的
那样不断前进,它们很可能会在下一代
有线网络中扮演更重要的角色。
为了吸引那些愿意支付更高费用,
部署能提供多媒体内容的新型高带宽
网 络 的 客 户,AT&T 和 Verizon 等 电 信
公司要求网络设备生产商生产出速度更
快、可以高速传输多种数据流量而不
仅仅是语音的系统。著名市场调研公司
iSuppli Corp, . 主攻宽带和 IPTV( 网络
电视)的首席分析家 Steve Rago 注意
到,电话公司正在紧锣密鼓地进行业务
转型,希望改变过去只运行语音网络的
单一经营模式。同样,大型企业也需要
速度更快的网络设备,以便使员工可以
更有效地在全球范围内进行通信。在金
融领域,高速网络使广泛分散的商家可
以快速完成交易——在这种情况下,更
高速的通信就意味着更高的收入。
思科系统公司、阿尔卡特朗讯、诺
基亚西门子和 Juniper Networks 等众多
网络设备生产商都希望率先向运营商和
企业推出数据传输速率高达 40-Gbps 和
100-Gbps 的网络设备。在实现这一目
标的过程中,他们首先必须成功开发出
基于最新、最先进 IC 的新一代路由器
和交换机。此外,他们必须在下一代网
络标准(即 40G 和 100G)还在不断演
进的过程中实现这一目标。
有线网络基础
2009 年春季刊
封面故事
今天的有线通信网络就好象是由很
多条连接不同目的地的公路、高速公路
和超级高速公路组成的复杂路网。每一
种道路都有着自己的限速 , 最缓慢的小
路会降低总体行驶速度,延长信息传输
到目的地所需的时间。
一般的用户从家庭电脑上访问互
联网网站并下载文件时,数据请求封装
在一个数据包中,以最高为 1 Gbps 的
速度——受电脑连接到运营商接入网络
的铜线的速度限制——从电脑上发送出
去。然后,接入网络读取该数据包,查
看目的地和大小等信息,然后将它转发
到我们所谓的城域网——一系列速度更
快的路由器和交换机。而后再由该网络
读取数据包信息,将数据发送到下一个
路由器。在城域网中,数据以 10 Gbps
的速度在路由器间传输。
对于长距离路由,城域网最终可能
会连接到我们叫作“核心”的数据超级
高速公路——这是一种光网络,以光速
将信息发送到一系列城域网中。而这些
城域网就在包含您要访问的互联网文件
(不管是网页、视频剪辑还是音乐)的
数据服务器附近。然后,这个数据服务
器将请求的数据文件通过网络发回,有
时采用相同的路线(见图 1)。
在每个交叉点或中心,路由器必须
从数据包中读取目的地和数据大小等信
息,根据具体的网络流量状况决定最快
的路线,然后再将这些数据转发到下一
站。协商在光网络中传输数据的更长路
线时,光网络之前的路由器必须将适合
电子路由器的数字信号转换成适合在光
网络中传输的光信号格式。最终,在数
据即将离开核心网络时,另一台路由器
必须执行相反的操作,既将光信号格式
转换回数据包格式。然后,该路由器必
须读取网络中的流量情况,确定最快的
路线,将数据发送到下一个路由器或数
据服务器。
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封面故事
访问和下载时间一般在几分钟到
几秒钟之间,具体取决于文件大小和所
在的位置。但是,由于不断发展进步的
FPGA 技术,将来的网络传输速度将更快。
电信和数据通信的融合
图1 – 带宽高达 40 到 100 Gbps 的下一代有线通信网络将推动下一代宽带业务和大量新型电子设备的问世。
今天的有线网络有两种——一种用
于计算机,另一种用于通信。过去,这
些网络是相互独立的,各有自己独特
的协议、路由设备、带宽要求和带宽
增长率。例如,电信网络的带宽一般
以 4 倍的速度增长(从 2.5 Gbps 增加
到 10 Gbps, 而 现 在 在 向 40 Gbps 发
展),而计算机网络却以 10 倍的速度增
长(100M、10G 和 100G)。 然 而, 赛
灵思的著名工程师 Gordon Brebner 注
意到,在几年前的最后一次有线网络重
组过程中,10 Gbps 的速度水平上曾出
现过一种融合现象。当时,在两种网络
类型各自提高自己的最高带宽速率时,
6 赛灵思中国通讯 32 期
以太网的物理信令与电信网的信令出现
了融合。虽然这两种网络仍保持相互独
立,但网络行业在过去几年中作了最大
努力,希望将它们合并为一体,尤其是
在以太网方面。
Brebner 表示 :“以太网过去只是
将您连接到您的 IT 部门的技术。而现
在,以太网无处不在,已发展到电信级
以太网。电信行业在自己的网络中开始
广泛采用这种以太网技术。万兆以太网
(10GE)技术过去几年来实现了标准
化 ;而现在,40GE 和 100GE 在 IEEE
802.03ba 标准中被合并在一起。最终的
标准有望于 2009 年年底正式出台。”
Brebner 解释说,40GE 将是电信
网络发展的下一步 ;但业界普遍认为,
这一速度最初只适合用于企业联网。对
于远距离传输,运营商们将采用 100GE
标准。然而,如果激烈的竞争促使一
些设备公司将企业联网速度也提高到
100GE,那也不足为奇。
路由器内部
若想以如此高的速度传输数据,网
络设备生产商将需要开发出利用最新电
路技术的先进设备——路由器、交换和
传输系统。
例如,城域路由器的核心采用了一
系列线路板。每个线路板接收采用不同
协议的数据包,在这些数据包中查看始
发地、大小、目的地及有关网络其余部
分的信息等,然后将数据包转发给一台
交换机。然后,该交换机将数据包发送
到网络中的下一个目的地。上述线路板
必须在数纳秒内完成所有这些计算。
过 去, 线 路 板 通 常 由 一 个 CPU、
一系列专用网络处理器(NPU)和大量
最高速 FPGA 组成。有数据包进入线路
板时,一个 FPGA 负责把原始数据转换

2009 年春季刊
封面故事
一些设备生产商希望 FPGA 能在路由器中扮演更重要
的角色,将 NPU 的功能集成到可编程的逻辑架构内。
为指定路由器可以读取的格式。处理器
可以协调 NPU,帮助读取并路由数据,
而 FPGA 可以简化 CPU 和 NPU 之间的
通信。
为了正确地处理数据包,路由器必
须能支持多种协议。Brebner 曾经说过,
实际上它们必须支持一个数据包中包含
的多种传统协议及新协议。当然,如果
整个网络能实现融合,只使用同一个或
一组协议,那么网络将真正可以大幅提
速。然而,Brebner 强调 , 一个网络之
所以比其他网络先进,在很大程度上应
归功于路由器使用的协议。运营商们是
不会放弃这一竞争优势的。
下一代有线网络将同时传输语音、
互联网数据和视频流量。这个所谓的“三
网合一”要求开发新的协议。而且,在
运营商们争相希望自己能更高效更安全
地传输这些数据的过程中,还不可避免
地需要进行一系列改进和修改。
正因为如此,能否及时修改硬件和
功能就显得非常重要——使电信设备可
以充分利用新协议的优势,并在此过程
中为原始设备生产商带来极大的优势。
许多公司尽量不在自己的通信系统中使
用 ASIC 和 ASSP,因为这些 IC 只允许
修改自己的软件。相反,FPGA 使您可
以灵活地修改硬件,在软件域内测试软
件功能,然后在 FPGA 中通过硬件实现
算法,进而加快修改和测试速度。
另外一些设备生产商希望 FPGA
开始在路由器中发挥更重要的作用,将
NPU 的功能集成到可编程的逻辑架构
内。FPGA 厂商可能会成为采用新的 IC
工艺的第一批硅元件开发商。这一点使
他们可以尽享容量增加一倍的优势(正
如摩尔定律规定的那样),在每个核中
节约更多空间来实现其它功能。每一代
新的 FPGA 推出时,客户更有可能在其
中添加通常由 NPU 执行的功能。将转
换和连接功能集成到同一个芯片上可以
大大加快处理速度,降低总体材料费用,
降低路由器的功耗,进而降低整个网络
的运营开支。此外,由于 FPGA 允许对
硬件和软件进行重新编程,而且可以在
现场进行修改,所以网络设备生产商有
望在设备使用的同时对其进行升级,甚
至可以在设备运行的同时完成升级。
随着 FPGA 迅速演进,变得更适
合有线通信应用,网络设备设计人员开
始在下一代路由器中更广泛地使用这些
多功能器件。 新推出的每一代 FPGA
技术都包含更多的高速收发器,以适应
总体网络带宽不断增加的趋势,甚至在
每个收发器的速度持续提高的情况下也
是如此。例如,不久前推出的 Virtex-5
TXT 器件(表 1)包含了 48 个速度为 6.5
Gbps 的 RocketIO TM 多速率收发器。这
些收发器使 Virtex-5 TXT 可以提供构建
网络桥所需的 312 Gbps 的总带宽。
表 1 – 赛灵思的 Serdes-heavy Virtex-5 TXT 为下一代有线通信设备开发商提供了一个
可编程的创新平台。
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封面故事
除了高速收发器外,每推出一代
新的 FPGA 时,逻辑单元数大约会增
加一倍——符合摩尔定律。这些增加的
逻辑单元使设备生产商们可以在每个
FPGA 中实现更多功能——甚至可能包
括原先由 NPU 完成的功能。
Brebner 表示,为每一代设备开发
NPU ,或决定哪种 NPU 适合自己的工
作是目前困扰设备生产商的最大问题之一。
每推出一代新的路由器时,总会
面对语音客户纷纷投入有线网络运营商的怀抱,导致
收入不断萎缩的局面,电话公司迅速重整网络,试图开始提
供多媒体业务。这一趋势大大推动了下一代宽带设备的增长。
iSuppli 分析家 Steve Rago 表示 :“过去几年来,传统电
话公司的客户迅速流失。每年的流失比例高达 4% 到 10%。”
造成这一流失的原因有很多。Rago 说道 :“首先,很
多人将移动电话用作唯一的电话(不使用固定电话)。第二
个原因是,人们不再需要为上网或发送传真而安装第 2 条
线路——有了宽带,您就不需要为上网而安装第 2 条线路。”
此外,他还说道,有线多业务运营商(MSO)成功地夺走
了传统的语音业务,他们与有线电视及互联网业务一同提
供语音业务。去年第四季度,“仅美国一地,有线运营商的
语音业务用户就增加了 100 万。”他还指出,全球各地都有
这一趋势,即使在语音网络只有 10 来年历史的中国大陆也
不例外。
Rago 认为,电话公司的宽带业务收入不断增加 ;但
这不足以抵消语音业务收入的损失。他表示:“最终结果是,
他们的收入要么与以前持平,要么出现负增长,而这对华
尔街来说可不是什么好事。如果电话公司不改变自己的业
务模式,那么将注定走向灭亡——将来没有他们继续存在
的必要。”
与此同时,他们的有线网络竞争对手(MSO,多业务
运营商)也不会迎来迅速的业务增长。Rago 说道,“实际上,
他们的业务也会保持稳定,甚至减少,因为他们要面临卫
星电视公司及电话公司的竞争。”
为了恢复业务增长,全球各地的电话公司一致决定,
在提供其它业务的同时,作为语音业务的增值业务开始提
供视频业务,Rago 说道。需要特别强调的是,他们都将希
望寄托在一种基于互联网的业务上 :时移电视。该业务使
您可以在任何时候观看您想看的任何节目。Rago 说 :“您
目前收看电视的模式将发生根本变化。与 MSO 相比,这
8 赛灵思中国通讯 32 期
诞生一批新公司,为这些路由器生产
NPU。这一事实使上述选择变得更复杂
困难。Brebner说:“NPU可能是市场
上最动荡不定的一个领域。所有NPU都
是针对不同的细分市场开发的,因此功
能也各不相同。厂商的情况也是复杂多
变:NPU设计公司时来时去,使思科系
统这样的大厂商不得不自己开发NPU。
然而,随着 FPGA 技术一代一代
发展进步,客户更有望自己将 NPU 知
宽带业务之战
识产权(IP)集成到 FPGA 中。原始设
备生产商们也可以利用这些器件可重新
编程的优势。这样,收到使用不同协议
的数据包时,FPGA 就可以迅速例化或
实现一个最适合读取该数据的 NPU 架
构,甚至对其进行安全检查,协商到达
目的地的最快捷路径然后再转发出去。
EDN 杂 志“FPGA Gurus” 网 站
资深通信观察员兼协调员 Loring Wirbel
说 道 :“ 过 去,FPGA 一 直 执 行 嵌 入
是采用 IPTV 电视技术的电信公司拥有的重要优势之一。”
此外,Rago 还谈到,电话公司决定效仿 MSO 目前采用的
方法 :设法使用户为他们希望使用的业务付费,而不是根据每秒
钟的比特流量收费。“您只为您实际使用的视频业务 [ 如 IPTV]、
语音业务及其它业务付费—如果您希望使用更多业务,可能需要
支付更多费用,”Rago 说。目前,大多数电话公司已经开始提供
这些新业务,或计划不久后推出这种业务。
数十亿美元的问题
同时,MSO 将继续发力,吸引传统的语音业务用户来壮大
多媒体用户队伍,而且很可能会推出自己的增值业务。
但是,所有这些公司,不管是电话公司还是 MSO,面临的
这个涉及数十亿美元的问题不光是如何实现业务增长,而是如何
实现长期可持续增长。
Rago 说,一个挑战是“铺设一个直通家庭的足够大的管道
来提供所有这些新业务。”在全球范围内,DSL,尤其是 ADSL,
仍是最重要的业务,“但是我们看到,宽带 DSL 和‘光纤入户’、‘光
纤到大楼’和‘BDSL 到路边’业务在不断普及。在所有新业务中,
‘光纤入户’现在名列第二,甚至超过了有线调制解调器业务。”
当然,升级网络接入设备来支持所有这些新业务是实现所
有这些目标的关键。他说道 :“我们翘首期盼,希望速度高达 30
Mbps 到 100 Mbps 的网络设备面世。”时移电视和点播视频等新
业务将在网络带宽方面带来很大的压力。Rago 还说道 :“这将大
大推动远程和城域网领域的创新及技术突破。”最终,它会催生
一系列高速数据用户器件,而这些器件将决定下一代业务的功能
需求。
的确,Rago 说道,“宽带业务之战”将催生多种新技术和业
务,最终推动相关领域的创新。但是,最终谁会成为这场战争的
胜利者?目前没有人能回答。
若欲了解有关竞争格局的更多信息,请联系 iSuppli,获取
有关个人用户通信的最新报告。—Mike Santarini

Quad
2 x 5.15G 10G Mux
PCB
式 RISC 和控制平面的功能。而现在,
FPGA 可以处理多种数据路径功能。因
此,现在看来一个 FPGA 可以用作整个
企业的集中设备(aggregation box)或
大型交换中心内的刀片——具体取决于
分区方式。因此,如果您正确地进行了
分区,就不再需要协处理功能。网络处
理器的消失会是一个漫长的过程,但这
是确定无疑的,因为 FPGA 已开始逐步
接替 NPU 的功能。”
Wirbel 还强调,以前每当推出新一
代设备时,NPU 有短暂的机会来推出专
用的分组转发引擎。但似乎在一眨眼间,
机会就消失了,因为 FPGA 已代替了这
些引擎。
10
1
2
3
10x "MLD" = 20 x 5.15G
SFP ± 10g Phy
SFP ± 10g Phy
SFP ± 10g Phy
SFP ± 10g Phy
Wirbel 说 :“ 在 我 们 向 40G 和
100G 网络演进的过程中,仅负责数据
包转发的超高速引擎尚有一席之地,正
如 在 1G 和 10G [ 技 术 ] 网 络 中 一 样。
然而问题是,在您向更新的功能迁移时,
NPU 的路会越来越窄。您甚至可能会彻
底忽略 ASSP,直接采用 FPGA。每一
代产品推出时,都有使用 ASSP 的短暂
机会,但随着产品的不断更新,这种机
会将越来越少——最终将彻底消失。”
推动 FPGA 技术发展,助力有线通信
今天,赛灵思公司最大的 Virtex-5
TXT XC5VTX240T 器件包含 37,440 个
2
2
2
2
100G
MAC
TM &
PP @
100G
逻辑切片,总共 239,616 个逻辑单元。
该架构为设计团队和 IP 厂商带来更多机
会,他们可以采用当前最先进的 FPGA
硅 元 件, 推 出 可 支 持 XAUI、RXAUI、
Interlaken、Sonet、ODN 及 许 多 其 他
有线标准的创新解决方案。
例 如 , 赛 灵 思 与 S a r a n c e
Technologies 公司密切合作,推出了业
界第一款 100GE 媒体访问控制器——
这是一种特性丰富、符合 IEEE 802.3ba
标准的解决方案,通过 Virtex-5 FPGA
实现(图2)。
Sarance 在 2008 年中期宣布,其
100GE MAC 解决方案已部署完毕并开
始在第 1 级厂商硬件原型设备(采用
了 2 套 Virtex-5 FXT FPGA、10 台 外
部 10-Gbps 物理层器件和多种系统级接
口)中运行。
MAC
由 新 型 Virtex-5 TXT FPGA 平 台
支 持 的 100GE MAC-to-Interlaken 桥
接解决方案是将多种功能压缩到单一
FPGA 和 3 台外部 4 通道 Serdes(quad
serdes)多路复用器中的低风险方法。
在这种实现方法中,赛灵思的 64/66 和
64/67 编码 / 解码设备被应用到 GTX 收
发器中,从而在设计中节约了近五分之
一的逻辑数和功耗。
20-40 SERDES
图2 –采用 Virtex-5 FPGA 实现的 Sarance Technologies 的 100GE MAC 解决方案
Interlaken XAUI
RXAUI
2008 年 6 月, 电 信 业 巨 头
Comcast 公司宣布,通过业内第一个
100GE 路由器接口,它在费城和弗吉尼
亚州 McLean 之间的现有骨干网基础设
施中成功完成了 100GE 技术测试。该
系 统 采 用 了 Sarance Technologies 公
司的同一种高速以太网 IP 核(HSEC)。
该 核 在 Virtex-5 TXT 目 前 支 持 的
Virtex-5 FXT FPGA 上运行。
这次测试之前,100GE 技术领域
取得了一系列突破性进展。2006 年 11
月,赛灵思 FPGA 被用于全世界第一次
成功的 100GE 传输演示。这次演示是
在 SC06 International Conference( 全
球高性能计算、联网、存储和分析大会)
上通过真实网络进行的。
Finisar与Level 3 Communications、
Internet2 及加利福气尼亚大学合作,在
Santa Cruz 进行了一次成功演示。在位
于佛罗里达州坦帕的演示地点和休斯顿
之间往返(共 4000 英里)成功传输了
100GE 流量。
赛灵思 FPGA 以电的形式将所有
10 路 信 号 发 送 到 10 台 10-Gbps XFP
光收发器(由它们将这些信号转换为光
信号)。从这里,信号被发送到 Infinera
的 商 用 DTN Switched WDM 系 统。 然
后再由该系统将它们转发到 Level 3 的
网络。
总之,FPGA 技术正在迅速发展。
正如摩尔定律规定的那样,FPGA 帮助
通信设备设计人员构建带宽更高的下一
代网络。在不久的将来,网络设计人员
会让 FPGA 在他们的设计中扮演更重要
的角色。这个角色到底有多重要,不仅
取决于硅元件,而且会受客户的硬件和
软件工具的影响。赛灵思将不断进取,
为有线通信市场开发创新的技术,通过
新的可编程解决方案保持并进一步巩固
自己的领先优势。
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封面故事
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