Коммутационные чипы ASIC: история, современные возможности, игроки рынка

Место и роль ASIC в составе коммутатора

Чип ASIC входит в базовое устройство коммутатора наряду с другими компонентами, такими, как основной процессор CPU, программируемый чип FPGA (Field-Programmable Gate Array, применяется опционально), периферийные компоненты наподобие вентиляторов и блока питания, физические сетевые интерфейсы.

«Аббревиатура ASIC говорит нам о том, что этот чип application-specific, то есть его логика разработана с учетом того, что он должен выполнять определенную задачу с понятной производительностью и с понятным временем задержки. Этим он кардинально отличается от CPU, который последовательно выполняет задачи с определенной частотой, но спрогнозировать, с какой скоростью он эту задачу выполнит и какая у него будет пиковая производительность, сложно», – поясняет начальник отдела поддержки продаж сетевых решений компании «Инфосистемы Джет» Илья Фурцев.

Базовое устройство коммутатора
Источник: «Инфосистемы Джет»

Появление и совершенствование сетевых ASIC, а также расширение их функций тесно связаны с развитием Ethernet-технологии. Так, в 1980 году Роберт Меткалф разработал стандарт передачи данных для построения локальных сетей (LAN), который первоначально назывался DIX, так как создавался в коллаборации компаниями DEC, Intel и Xerox. Но когда этот стандарт в 1983 году был официально утвержден институтом IEEE, то приобрел более знакомое всем название – Ethernet.

«Уже из названия мы можем понять первые проблемы, с которыми этот стандарт столкнулся: Ether – это эфир, а Net – это сеть. Соответственно, Ethernet – это эфирная сеть, куда ее клиенты могут одновременно посылать информацию, и при этом возникают определенные коллизии. Это был не единственный стандарт – в свое время он соперничал с ArcNet и Token Ring. Но к концу 1980-х годов Ethernet начал побеждать, количество пользователей этой технологии росло, и локальные сети тоже становились крупнее. С появлением большого количества клиентов локальной сети коллизий становилось неприлично много. Эту проблему нужно было решать», – рассказывает Илья Фурцев.

Начальник отдела поддержки продаж сетевых решений компании «Инфосистемы Джет»
Илья Фурцев на фестивале «Сетевое лето»
Фото: Андрей Блинов/ICT-Online.ru

История развития технологии ASIC

Решением проблемы занялись команды целого ряда технологических стартапов. Наиболее преуспела в этом компания Kalpana, основанная предпринимателем из Индии Винодом Бхардваджем и его коллегой из США Ларри Блэром. К слову, Kalpana переводится с санскрита как «вдохновение». Результатом вдохновения разработчиков стал первый в мире Ethernet-коммутатор с ASIC – Kalpana EPS-700. Устройство работало в режиме cut-through и поддерживало до 7 портов, обеспечивающих скорость передачи данных 10 Мбит/с. В основе ASIC-чипа лежала CAM-память (Content-Addressable Memory). С этого устройства началась эра коммутации по MAC-адресам. Очевидно, что такая перспективная технология не могла не заинтересовать крупных игроков рынка, и в 1994 году Kalpana была приобретена Cisco. К тому моменту этот мировой гигант уже производил сетевые маршрутизирующие устройства, работавшие на базе процессорной обработки передачи данных.

«Как показывает история, все ключевые сетевые технологии, сетевые прорывы с точки зрения коммутационных чипов разрабатывались стартапами, а потом приобретались крупными игроками рынка», – замечает Илья Фурцев. Так, в том же 1994 году компания Grand Junction Networks изобрела чип ASIC по новому стандарту Fast Ethernet, принятому институтом IEEE и обеспечивающему скорость 100 Мбит/с. Помимо прочих преимуществ, чип поддерживал механизм store-and-forward – схему обработки кадра, которая позволяет делать большое количество итераций обработки заголовка. Уже в 1995 году этот стартап тоже оказался поглощен Cisco.

История коммутационных чипов
Источник: «Инфосистемы Джет»

К концу 1990-х годов локальные сети стали еще крупнее, и коммутаторы должны были научиться обрабатывать запросы всё большего числа клиентов. В этот момент на сцену выходит компания Broadcom, которая в 1999 году, модернизировав текущую технологию, создала чип BCM5600. Он положил начало линейке StrataXGS, которая, в свою очередь, легла в основу современных Tomahawk и Trident. Чип поддерживал 24 100-мегабитных порта на борту коммутатора, и это была высокая плотность портов для того времени.

«Начало 2000-х годов – эра развития серверов и вычислительных процессоров. Крупные коммерческие организации начинают формировать собственные локальные центры обработки данных, и задача подключения серверов к сети встает достаточно остро. Рынок это понимает», – продолжает Илья Фурцев. В этот период очередной стартап, Fulcrum Microsystems, создает ASIC FM2000, провоцируя новый технологический прорыв, так как это 10-гигабитный чип, обеспечивающий низкую задержку – менее 200 наносекунд (по сравнению с микросекундами в предыдущих устройствах). На базе этого чипа Arista делает полноценные коммутаторы для ЦОД, а в 2011 году Fulcrum Microsystems входит в структуру Intel.

В начале 2010-х выходит на пик успеха Broadcom, который, продолжая линейку BCM5600, в 2011 году создает первую версию Trident, а в 2013 – вторую. Чип получился настолько удачным, что его приобретает большинство производителей сетевого оборудования, существующих на тот момент на рынке: в том числе, Cisco, Arista, Huawei, Juniper, и Xtreme. До сих пор Trident II является одним из самых популярных чипов для коммутаторов ЦОД.

Узким местом разработок Broadcom был закрытый SDK, ограничивающий возможности производителей сетевых устройств по доработке логики внутри чипов. Конкуренты пытаются обратить этот недостаток в пользу для себя: в 2016 году стартап Barefoot создает чип Tofino, обладающий возможностью настройки логики обработки пайплайна. Это не полностью программируемый ASIC, как FPGA, а чип именно с программируемым пайплайном обработки сетевого кадра. Tofino тоже заточен больше на высокопроизводительные сети и сети передачи данных ЦОД. Его появление заставляет Broadcom задуматься о том, что для сохранения конкурентоспособности нужно давать возможность разработчикам сетевого оборудования программировать пайплайн внутри чипов.

Современные устройства ASIC: требования и линейки

По свидетельству Ильи Фурцева, современные производители сетевых устройств предъявляют следующие запросы к ASIC.

Первый – высокая производительность, поддержка передачи данных в сетях 5G и систем на основе искусственного интеллекта.

Второй – органическое уменьшение техпроцесса, обусловленное тем, что в чип требуется поместить больше транзисторов, сохраняя при этом оптимальное энергопотребление и тепловыделение. Актуальный техпроцесс сегодня – 5 нанометров, в обозримом будущем ожидается появление чипов, созданных по 3-нанометровому техпроцессу.

Третий – переход на гиперконвергентные инфраструктуры, требующий низкой задержки и высокой пропускной способности.

Четвертый – высокие требования к безопасности. Разработчики планируют обеспечить чипы ASIC возможностью аппаратного шифрования.

Пятый – масштабируемость для задач ИИ и ML.

Шестой – поддержка открытых стандартов SONiC и Open Compute Project (OCP)

Основные американские производители коммутационных чипов
Источник: «Инфосистемы Джет»

Основными игроками на рынке процессоров ASIC являются американские производители.

Broadcom позиционирует линейку Tomahawk как чипы для высокой производительности и низкой задержки, но без программируемой логики; Trident – как классические чипы с программируемым пайплайном для корпоративных сетей и ЦОД; Jericho – как отдельную линейку для магистральных сетей, EDGE-маршрутизации и телекома.

Marvell, который в 2011 году купил Innovium, представляет линейку Teralynx, преимущество которой в производительности, сравнимой с чипами Tomahawk, и одновременно программируемости пайплайна. Более старая линейка Prestera – это коммутационные чипы невысокой производительности, которые преимущественно используются в кампусных коммутаторах. Чип Octeon – многоядерный процессор, заточенный на обработку и маршрутизацию трафика, его используют в своих маршрутизаторах крупные производители, как Cisco и Juniper.

Cisco выпускает линейку чипов Silicon One с глубоким буфером для гиперскейлеров и инсталляций AI/ML; Cloud ScaleASIC для коммутаторов корпоративных ЦОД; отдельную линейку UADP  для кампусной линейки коммутаторов Cisco.

Intel, приобретя Tofino, закрыл проект и объявил, что Tofino3 к выпуску не планируется. Однако этот стартап запомнится как драйвер программированного пайплайна, а Tofino2 до сих пор есть в продаже.

NVIDIA приобрела Mellanox и их линейку Ethernet-чипов Spectrum, и это тот вендор, который, в отличие от Intel, использует купленный актив с пользой, продолжает инвестировать в него и уже пожинает плоды. Spectrum-4 производится по техпроцессу 5 нм и поддерживает скорость 51 Тб/сек, а в следующих поколениях этих чипов планируется перейти на 3 нм-техпроцесс и достичь более 100 Тб/сек. Эту линейку чипов NVIDIA использует для задач построения кластеров AI.

На рынке материкового Китая и Тайваня выделяются такие бренды, как Realtek, Centek и особенно HiSilicon (дочка Huawei). По немногочисленным сведениям об ASIC производства Huawei известно, что компания производит чипы по 16-нм техпроцессу, поддерживающие скорость 1,6-3,2 Тб/сек. Однако уже в следующем поколении чипы могут получить намного более высокую производительность и техпроцесс 7 нанометров.

«Мы видим, что крупнейшие компании начинают защищать свои ресурсы. Да, производители Merchant Silicon (стандартизированных чипов ASIC – прим. ред.), такие, как Broadcom, по-прежнему поставляют чипы для Cisco, Huawei, Arista, Juniper и многих других, но ведущие производители сетевого оборудования стараются вкладываться и в собственные разработки. Естественным драйвером рынка остаются разработки в области искусственного интеллекта. Во-первых, для этого требуется обработка высокопроизводительными чипами большого объема данных. Во-вторых, механизмы нейронных сетей используются и в самих чипах», – резюмирует Илья Фурцев.

Рынок ASIC продолжит развиваться под воздействием органических изменений и новых технологий передачи данных, таких, как Co-packaged Optics – подключения оптических трансиверов непосредственно к чипу минуя классические медные каналы.