都想把博通拉下馬，網路交換晶元市場烽煙四起|半導體行業觀察

大數據時代網路交換晶元正當紅。

在本世紀的第二個十年，人類社會正式走入了大數據時代。在大數據時代，人類社會上有無數的設備（手機，電腦，智能可穿戴設備）在產生數據，這些數據通過網路源源不斷地匯入數據中心，猶如小溪匯入海洋。在數據中心，這些海量數據通過網路交換晶元（network chips）在伺服器之間流動。如果說大數據時代的數據中心是社會的大腦，那麼網路交換晶元猶如大腦中的血管，支撐著大腦的運作。

為了支持數據的暢通流動，網路交換晶元的首要指標就是吞吐率。在今天，為了支持高速乙太網（10-40 Gb／s），主流的網路交換晶元的吞吐率已經至少達到了1Tb／s，一些更高端的晶元甚至可以實現3-6 Tb／s。網路交換晶元支持的吞吐率越大，就能支持越多路高速乙太網埠。

目前，中高端網路交換晶元的主宰者毫無疑問是以寬頻晶元起家的博通。根據Linley Group的調查，2015年高速乙太網（10-40 Gb／s）晶元領域市場總量大約有6.9億美元，而博通佔據了令人咋舌的94.5%份額。去年下半年，博通推出了Tomahawk II系列晶元，該網路交換晶元支持64路100 Gb／s超高速乙太網，總吞吐量可達6.4 Tb／s，無疑是佔領了技術的制高點。

博通的Tomahawk II網路交換晶元代表了目前網路交換晶元的技術制高點

然而，隨著數據中心變得越來越普及越來越重要，也有更多的網路交換晶元公司加入戰團。在上周於美國加州舉行的Open Compute Project展會上，一家名叫Nephos的公司展示了與博通Tomahawk II同樣具有6.4 TB／s的網路交換晶元組。Nephos是希臘語「雲」的意思，可見Nephos從創立之初就是朝著雲計算中心的市場去的。

Nephos背後的台灣半導體巨頭

雖然之前行事低調，但Nephos的來頭並不小，它的實際掌控人是聯發科。2012年，聯發科內部成立了數據中心部門，並在2016年獨立出來成為了Nephos。目前Nephos有130名員工，經過A輪融資，估值為3億美元，而聯發科擁有它75%的股份。

Nephos的團隊在發布這款6.4 Tb／s網路交換晶元之前，已經經過了多年積累，去年發布的1 Tb／s帶寬的網路交換晶元已經運行在中國的一個數據中心裡。

除了聯發科之外，Nephos還得到了台積電的技術支持。台積電的InFo封裝技術在Nephos的超高速網路交換晶元中起了巨大的作用。台積電的InFO封裝技術可以把多塊晶元在硅載片上集成在一起，在硅載片上可以實現高密度的互聯線，從而實現晶元間超高帶寬，低延遲且高質量的數據傳輸。

之前，台積電的InFO技術已經應用在蘋果的處理器中，而Nephos則利用InFO把兩塊吞吐量為3.2 Tb／s的晶元集成在一塊硅載片上，從而以較低的成本實現6.4 Tb／s的超高吞吐量網路交換晶元組。除此之外，Nephos利用母公司聯發科的關係，還能夠獲得台積電的先進工藝產能，這在高性能網路交換晶元的競爭中也是一個重要優勢。

市場上的其他競爭者

除了Nephos之外，Marvell，Mellanox，Cavium，Barefoot等廠商也在積極地推出產品以搶佔市場。除了晶元廠商外，數據中心也不願意看到博通在網路交換晶元市場寡頭壟斷。目前，博通網路交換晶元的報價是每100 Gb/s的網路埠60美元，也就是說每塊Tomahawk II晶元（支持64路100 Gb／s埠）要賣4000美元！不過，在數據中心和其他競爭廠商的合力下，到2020年預計每個網路埠的報價會下降到36美元。

在網路交換晶元的競爭廠商中，Barefoot無疑是另一家吸引了許多人目光的初創企業。Barefoot的突破在於使用軟體定義的網路協議。在傳統網路交換晶元（如博通的產品）中，一款晶元只能處理一種網路協議，因此如果在短時間內網路協議更新換代，就必須使用新的對應的網路交換晶元。針對這個問題，Barefoot推出了軟體定義網路（software-defined network），因此Barefoot的網路交換晶元可以使用軟體編程的方式修改晶元支持的網路協議，從而一塊晶元就可以支持多種網路協議。而且在網路協議改變時，理論上不需要換新的晶元就可以支持新的網路協議。為了實現軟體編程，Barefoot還專門開發了一種描述網路協議的語言（P4），用來編程自己的晶元去實現各種網路協議。

Barefoot這種軟體定義網路協議的架構得到了互聯網巨頭的肯首。Facebook等互聯網公司都在尋找一種可定製化且快速迭代的網路協議。很顯然，這種網路協議如果使用傳統的ASIC無法實現可定製化，因為沒有晶元廠商會為一家互聯網公司定製一款晶元，就算能錢多到互聯網公司自己設計製造晶元，快速迭代也無從說起，因為一款晶元的設計上市周期可達一年至一年半，跟不上網路協議迭代的進度。但是如今有了Barefoot的軟體定義網路交換晶元，一切都可以成為現實。

不過，Barefoot的軟體定義網路能否得到大規模應用還需時間考驗。就目前而言，大多數數據中心實用的網路協議都是標準協議，因此博通的網路交換晶元已經足夠使用。相對於Barefoot激進的軟體定義網路，Nephos使用了一種折衷的辦法，即所有的晶元都可以使用同一套驅動和開發軟體，換句話說在配套軟體和應用開發完成後，即使升級網路使用了更高級的Nephos晶元，之前開發的驅動和軟體應用也無需修改。

除了Barefoot之外，另外一些互聯網巨頭的動作也值得注意，即微軟和亞馬遜在自己的數據中心中引入FPGA。這些FPGA除了能在深度學習和圖像處理等地方加速外，還能處理網路協議，因此也可以實現類似Barefoot的快速配置兼容新網路協議的功能。然而，FPGA的問題在於SerDes，通常的FPGA晶元上不會大規模集成高速SerDes，然而高速SerDes確是網路交換晶元的關鍵之一。例如，在博通的Tomahawk II晶元上，集成了256個運行在25 Gb／s的高速SerDes，這在FPGA晶元上是不太可能看到的。因此，FPGA想要替代網路交換晶元目前暫時可能性不大，但是可以作為固定功能網路交換晶元的一個補充。

中國公司正在迎頭趕上

可喜的是，中國公司也在網路交換晶元的競爭中佔有一席之地。獲得國家集成電路產業基金領投3.1億元戰略投資的盛科網路推出了累積帶寬達1.2 Tb／s的晶元，雖然離博通尚有距離，但是已經能在市場上擁有自己的位置。隨著互聯網和數據中心在中國的發展，相信國產網路交換晶元也會發展越來越快。數據中心裡的晶元除了處理超高交換帶寬的交換晶元外，與纜線介面的前端晶元也非常重要，前端晶元決定了接收信號的質量，同時也部分決定了最高可實現的帶寬。在這方面，位於上海的初創公司PhotonIC的產品處在了全國甚至世界領先的位置，該公司的產品主要針對的是使用光纖通信使用的超高速SerDes。

另一方面，為了實現超高帶寬，網路晶元必須使用最先進的工藝，因此要實現網路交換晶元全國產化，中國的半導體Fab也需要努力。

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