利用中端FPGA實(shí)現(xiàn)低成本網(wǎng)絡(luò)

從網(wǎng)絡(luò)的核心模塊到邊緣設(shè)備，都在經(jīng)歷著巨大的變革。無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)與其數(shù)千萬(wàn)的“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”連接、下一代回程通信的巨大傳輸壓力，以及各種為使用現(xiàn)有有線(xiàn)通信基礎(chǔ)設(shè)施的消費(fèi)者提供寬帶通信的舉措，都是推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，網(wǎng)絡(luò)核心朝著100及400Gbps的數(shù)據(jù)通道發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)域也從10Gbps升級(jí)為100Gbps，用以支持不斷擴(kuò)展的各種網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和接口。此外，為支持日益增大的用戶(hù)流量需求并降低總體傳輸延遲，接入網(wǎng)絡(luò)也正在從之前的并行接口升級(jí)到現(xiàn)代高速串行接口。

由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商們期待以低成本提升網(wǎng)絡(luò)容量，并同時(shí)保持總體覆蓋率，因此他們往往不可能徹底更換目前已經(jīng)安裝好的硬件設(shè)施。產(chǎn)品上市時(shí)間、整體的升級(jí)費(fèi)用和現(xiàn)有軟件支持上的投入，僅僅是幾個(gè)必須考慮的問(wèn)題。當(dāng)設(shè)備升級(jí)時(shí)，必須提供必要的 “翻新” 以延長(zhǎng)使用期限，同時(shí)加入符合預(yù)期網(wǎng)絡(luò)需求的功能特性，許多NEP(網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商)發(fā)現(xiàn)具有收發(fā)器功能的中端FPGA是一種十分有效的解決方案。

中端FPGA是相對(duì)較新的一類(lèi)FPGA。這些成本和功耗優(yōu)化的器件提供了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的所有特性，并結(jié)合了僅高端器件才具有的各種先進(jìn)功能。例如，這些可編程器件提供了具有成本效益且功耗優(yōu)化了的串行接口(SERDES)，這使他們能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有的和下一代通信解決方案之間的差距。帶串行接口的中端FPGA也可以配置為支持各種數(shù)據(jù)傳輸速率和接口標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是否是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的還是專(zhuān)用的。并且，由于同一種規(guī)格大小的器件不可能符合所有的需求，因此這些器件的SERDES通道數(shù)量隨不同型號(hào)而變化，從而使得設(shè)計(jì)工程師能夠優(yōu)化其可編程解決方案，以滿(mǎn)足特定的成本和功耗目標(biāo)。

中端FPGA中串行接口的可配置功能是十分關(guān)鍵的，它賦予了這些器件獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。雖然過(guò)去很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商可能會(huì)考慮采用其“自行開(kāi)發(fā)”的接口標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在整個(gè)機(jī)架的設(shè)備已經(jīng)由同一制造商開(kāi)發(fā)的情況下，但當(dāng)今市場(chǎng)擁有多樣化的選擇，并且供應(yīng)商設(shè)備之間的互操作性已成為必然。大型的系統(tǒng)供應(yīng)商仍將繼續(xù)提供完整的解決方案，而其他制造商則尋求能夠在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱內(nèi)工作的差異化解決方案，或者獨(dú)立的“薄型設(shè)備”。實(shí)現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口不僅可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，還能夠改善不同供應(yīng)商之間的互操作性，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，并拓寬供應(yīng)商設(shè)備的接納范圍。

在實(shí)現(xiàn)串行接口時(shí)，一個(gè)重要的特性是能夠創(chuàng)建可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)鏈路，以滿(mǎn)足傳輸帶寬的要求。為使帶寬與所支持的傳輸協(xié)議相匹配，中端FPGA加入了硬化的PMA和PCS邏輯模塊，它們?cè)诠δ苌峡梢园疃ㄔ谝黄稹０疃C(jī)制實(shí)現(xiàn)了多個(gè)收發(fā)器通道來(lái)支持一個(gè)協(xié)議，而其余的串行接口仍可以獨(dú)立地支持其他協(xié)議，或者被禁用，從而進(jìn)一步節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的功耗。雖然收發(fā)器通過(guò)加入PMA和PCS功能模塊提供物理層接口，但還需要在更高的“客戶(hù)”層提供大量額外的邏輯，以創(chuàng)建一個(gè)完整的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案。雖然ASSP可以提供帶有硬化串行接口的特定接口解決方案，但是它們?nèi)狈Ρ匾撵`活性，無(wú)法支持網(wǎng)絡(luò)接入市場(chǎng)中用到的各種接口。

此外，基于SERDES的高端FPGA也可以被設(shè)計(jì)為在其結(jié)構(gòu)內(nèi)包含大量的串行傳輸邏輯，只是代價(jià)高昂：額外的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間、更多的功耗和尺寸大小。此外，中端FPGA還為電路板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員提供了另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。通過(guò)為FPGA的軟邏輯陣列增加一定數(shù)量收發(fā)器(根據(jù)不同的器件)，以及硬化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議邏輯，這些器件提供了一個(gè)靈活、低成本和小尺寸的通信解決方案。如圖1所示，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腇PGA，可以很容易地實(shí)現(xiàn)不同的傳輸協(xié)議解決方案。

圖1：具有收發(fā)器功能的中端FPGA

接入網(wǎng)絡(luò)由來(lái)自不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的基礎(chǔ)設(shè)備構(gòu)成。并且，由于預(yù)計(jì)將會(huì)有大量的陳舊設(shè)備仍將在之后幾年繼續(xù)使用，越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)而使用一種全分組(all-packet)網(wǎng)絡(luò)。隨著向全分組網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)正在迅速成為控制平臺(tái)和數(shù)據(jù)傳輸互連的主導(dǎo)。以太網(wǎng)以其悠久的歷史、使用的廣泛性以及本地IP數(shù)據(jù)包支持，將主導(dǎo)下一代網(wǎng)絡(luò)。而PCI-Express憑借廣泛用于計(jì)算、服務(wù)器和消費(fèi)電子市場(chǎng)，也正在大量用于器件級(jí)和背板互連，同時(shí)還被廣泛部署用來(lái)取代并行PCI總線(xiàn)。串行無(wú)線(xiàn)IO標(biāo)準(zhǔn)則被用于各種無(wú)線(xiàn)、DSP和其它嵌入式計(jì)算解決方案。如上所述，許多中端FPGA支持這些關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，從而為設(shè)備制造商提供了一系列豐富的硬化解決方案。除了成本和功耗上的優(yōu)勢(shì)，這類(lèi)器件還無(wú)需實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證通信協(xié)議，這使得設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂谠贔PGA結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)自己的差異化解決方案和系統(tǒng)升級(jí)功能。