面向移动高端装备的银河衡芯敏捷交换芯片 - 杨惠, 李韬, 刘汝霖, 吕高锋, 孙志刚.pdf
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计 算 机 研 究 与 发 展
DOI
:
１０．７５４４∕issn１０００Ｇ１２３９．２０２１．２０２１０１６９
JournalofCom
p
uterResearchandDevelo
p
ment ５８
(
６
):
１２３８ １２４１
,
２０２１
收稿日期
:
２０２１
－
０３
－
０１
;
修回日期
:
２０２１
－
０４
－
２３
基金项目
:
国家重点研发计划项目
(
２０２０YFB１８０４７０２
);
国家自然科学基金项目
(
９１９３８３０１
)
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(
２０２０YFB１８０４７０２
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(
９１９３８３０１
)
．
面向移动高端装备的银河衡芯敏捷交换芯片
杨
惠
李
韬
刘 汝 霖
吕 高 锋
孙 志 刚
(
国防科技大学计算机学院
长沙
４１００７３
)
(
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)
YHHXA
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;
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;
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p
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;
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摘
要
面向为航空航天
、
舰船等移动高端装备提供受限条件下的高算力
,
嵌入式云
、
天基超算等集成多
样化异构资源的集中式计算平台逐渐成为新 一代高 端装备 电子信 息系统 的研究 热点
．
现有商 用以太 网
交换芯片面向数据中心
、
园区网等大规模高性能网络组网需求设计
,
难以满足移动高端装备集中式计算
平台在能效
、
散热
、
业务优化等方面的敏捷交换需求
．
面向为移动高端装备中异构计算资源提供高能效
、
低功耗的敏捷连接能力
,
国防科技大学计算机学院提出了端到端敏捷交换解决方案
,
并自主研发了系列
化银河衡芯敏捷交换芯片
,
是现有国产以太网交换芯片的有力补充
．
其中
,
YHHXＧDS４０
嵌入式敏捷交
换芯片面向数据流交换
,
集成
４
个万兆以太网接口和
４
个千兆以太网接口
,
支持应用层精细交换和异构
资源统一连接
,
具有全线速交换能力
,
典型功耗仅为
１．６W．
关键词
敏捷交换
;
低功耗
;
嵌入式
;
协议无关
;
异构
中图法分类号
TP３９３
随着装备智 能化
、
信息 化 的发 展
,
卫星
、
舰船 等
移动高端装备亟需具备高算力的集中式计算平台
[
１
]
为数 据 采 集
、
计 算
、
处 理
、
分 发 提 供 统 一 的 基 础 支
撑
[
２Ｇ３
]
．
然而
,
移动高端装备在体积
、
重量和 功耗等 方
面受到诸多限制
．
在受限条 件下
,
移动高 端装备 集中式 计算平 台
要求承载异构资源互连的交换网络具有
３
方面的敏
捷交换能力
:
１
)
高能 效
、
低功 耗 交换
,
以满 足 平台 部
署在空间
、
散热等方面的要求
;
２
)
端到端的系统级解
决方案
,
降低 平 台 开 发 部 署 复 杂 度
,
实 现 网 络 透 明
化
;
３
)
卸载加速能力
,
有效减轻计算资源的负载
,
提升
系统整体算力
．
现有商用网络交换芯片
,
如
Broadcom
、
盛科
[
４
]
等
,
主要面 向数据 中心
、
园区网
、
企业网 等 大
规模固定网络
,
出于市场与成本考虑
,
更强调实现丰
富的功能协 议集 合
,
支 持 大 规 模
、
高 性 能 的 网 络 交
换
,
难以满足高 能 效
、
低 功 耗 等 敏 捷 连 接 需 求
．
最 重
要的是
,
基于商用网络交换
∕
网卡芯片构建集中式计
算平台
,
需集 成 多 芯 片 厂 商 的 驱 动
、
交 换 及 网 卡 芯
片
,
定义网络管理软 件
、
网管 代 理通 信 接口 和 协议
,
驱动适配和调试工作繁琐复杂
,
用户开发难度大
．
国防科技 大学计 算机学 院针对 上述问 题
,
提出
了基于以太网的低功耗
、
端到端敏捷交换解决方案
,
主要包括系列化敏 捷 交换 芯 片
、
端适 配 器和 网 络控
制器
．
作为系列 化 敏 捷 交 换 芯 片 中 的 一 款 多 万 兆 数
据交换芯片
,
HXＧDS４０
针对集中式计算平台异构资
源的敏捷互 连需 求
,
在 架 构
、
功 能 上 进 行 了 深 入 优
化
,
实现了协议无关 转 发架 构 和基 于 应用 标 记的 交
换功能
,
从而支持应用 层 精细 交 换和 异 构资 源 统一
连接
,
可为打造下一代移动高端装备的高能效
、
低功
耗
、
高算力集中式计算平台提供有力支撑
．
Fi
g
．１ HXＧDS４０chi
p
图
１ HXＧDS４０
芯片
１
芯片概述
国产银河衡 芯 敏 捷 交 换 芯 片
HXＧDS４０
如 图
１
所示
,
于
２０２０
年
７
月流片 成功
,
采用
３２４
引脚 塑 封
BGA
封装
,
尺寸
１５mm×１５mm
,
焊球节距
０．８mm
,
典型功耗
１．６W．HXＧDS４０
提 供
４
个 万 兆 以 太 网 接
口和
４
个千兆以太 网 接口
,
支持 全 端口 线 速转 发 交
换处理
．
支持基于
１０GBASEＧR∕KR
背板传输协议的
板间高速互连
．
此外
,
HXＧDS４０
具备多种应用模式
,
包
括独立应用模式
、
协处理模式以及堆叠扩展模式等
．
HXＧDS４０
支持基 于
L２ＧL７
协 议 以 及 用 户 自 定
义协议的分组交换
、
应用层交换与卸载加速
、
轻量化
管理控制功能
．
１
)
协议无关转发
．HXＧDS４０
采用协议无关网络
转发处理技术
,
支持基 于
L２ＧL７
协议的 分组 交 换和
自定义转发
,
可有效 支撑 通 专结 合 网络 协 议的 高 性
能转发处理
．
２
)
应用层交换与卸载加速
．HXＧDS４０
提供超宽
位搜索匹配引擎
,
支持宽 度超
６００b
的关键 字搜索
,
从而可实现基于应用层信息的交换
;
此外
,
基于元数
据的分组交换结构
,
可以 有 效实 现 网络 查 表搜 索 功
能的卸载与加速
,
减轻
CPU
网络处理负载
．
３
)
轻量 化管理 控制
．HXＧDS４０
提供以 太网
、
SPI
和
I２C
轻量化管理配置接口
,
支持通过外置
EPLD
,
EEPROM
等方 式 的 管 理 配 置
,
从 而 避 免 集 成 复 杂
CPU
配置系统
．
２
创新特点
商用以太 网交换 芯片
,
通常面 向数据 中心等 大
规模固定网络交换需求
,
强调匹配引擎的表项数目
、
功能及协议的丰富程度
[
５
]
,
支持百万级流量的转发
、
交换管理
．
敏捷 交 换 芯 片 更 多 针 对 移 动 高 端 装 备 集
中式计算平台的 设 计需 求
,
强调 高 能效
、
低功 耗
,
以
提供空间
、
散热受限条件下的高效敏捷连接
;
强调匹
配引擎的表项宽度
,
以提 供 上层 的 精细 化 流量 识 别
和交换管理
;
强调平 台异 构 资源 的 统一 连 接和 卸 载
加速
,
为上层业务应用提供统一的数据交互
,
支撑业
务优化
．
１
)
高能效与低功耗
与数据中 心等固 定平台 信息处 理装备 不同
,
机
载
、
车载
、
舰载等移动装备平台通常采用小型
VPX
、
CPCI
单板或多槽 机箱 形 式集 成 计算
、
加速 等 资源
,
在供电
、
散热等方面 要 求高
,
高能 效
、
低功 耗 的敏 捷
交换芯 片 具 有 更 广 泛 的 应 用
．HXＧDS４０
采 用 高 效
能
、
低 功 耗 的 体 系 结 构 优 化 等 设 计 方 法
,
４４Gb
p
s
(
单向
)
吞吐率下功耗为
１．６W．
与应用广泛的某国产
１２０Gb
p
s
以太网交换 芯 片 相 比
,
性 能 功 耗 比 提 升
３
倍以上
(
２７．５Gb
p
s∕W
与
７．５Gb
p
s∕W
)
．
２
)
应用层交换
商用以太网交换芯片
(
如
BCM５３３４６
,
CTC５１６０
等
)
通常支持
L２~L３
端到端的交换
,
缺乏根据目的
主机应用需求动态交换数据的能力
．
部分以太网交换
芯片提供
L４
交换功能
,
允许用基于目的地址
、
目的
端口号
(
应用服务
)
的组合进行流量管理
．
然而
,
对于
９３２１
杨
惠等
:
面向移动高端装备的银河衡芯敏捷交换芯片
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