其中,40GbE和100GbE交換機是主要的市場動力,總收入超過10億美元。另外,從2016年下半年起40GbE資料中心支出下滑,全年的100GbE支出持續成長。透過採訪數家上游IC廠商,《EDN電子技術設計》得到的回饋和終端市場的統計相吻合。

Cavium交換平台部行銷總監Sachin Gandhi透露,目前應用市場正處於的升級浪潮是:企業級向10GbE伺服器升級、資料中心向25GbE升級;Uplinks/Spine連接已經從40GbE發展到100GbE。

Mellanox則表示,該公司已經在兩年前開始供應100GbE交換機、網卡、光學收發器和線纜。同樣,盛科市場總監王峰也認為,在大型的資料中心,作為架頂交換機(ToR)的上行埠,100GbE已經逐步取代原有的40GbE成為主流。

王峰表示:「我們預計未來的2~3年,10GbE/25GbE下行搭配100GbE上行將成為大型資料中心ToR/Leaf的主流形態。從當前的技術發展來看,400GbE也將逐步成為新的高速互連介面形態。」

Marvell同樣認為現在正值100GbE最為蓬勃的時期,正在取代傳統的40GbE基礎建設(特別是現代超大規模資料中心)。

然而,我們仍處於市場向100GbE轉型的初級階段。私有雲、企業和營運商網路還沒有大規模採用,標準伺服器上行鏈路對100GbE連接也沒有直接的需求。博通(Broadcom)核心交換機部門行銷總監Rochan Sankar指出:「儘管博通的100GbE交換機在兩年前全面投入生產,但2017年才是100GbE出貨量超過100萬個埠的第一年。」

「最初的400GbE部署較早開始,以多個50GbE SerDes聚合在一起的形式出現。預期2018年第一季將從半導體產業開始,第一批應用該技術的整機將於明年稍晚問世(可能在第四季);」Marvell網路事業部副總裁兼總經理Michael Zimmerman表示,因為800G依賴於112G SerDes,其出現會更晚一些,可能還需要3年時間才會出現。

不過,大部分受訪者仍認為,400GbE光模組(QSFP-DD,OSFP)的可用性和經濟性,是決定其部署速度的重要影響因素。

乙太網路交換機最重要的性能是什麼?

除了輸送量,優秀的乙太網路交換機仍有很多其他重要的性能,受訪的不同廠商也有不同的性能平衡。

靈活性,每位元成本

Gandhi認為資料中心的營運者會繼續尋找靈活的解決方案,滿足他們的傳輸量需求,並降低每位元傳輸成本。他表示,XPliant交換器系列在不影響流量、功率或價格的情況下提供了靈活性。

靈活性與即時視覺化

許多商用乙太網路交換機ASIC都針對傳輸量或靈活性進行最佳化,從中取得性能的平衡。例如,業界會需要基於硬體的遙測功能,用來提供網路和緩衝器狀態的即時可視性,許多解決方案缺乏這種高階功能,或在降低頻寬能力時才能提供該功能。Mellanox行銷副總裁Kevin Deierling認為,該公司乙太網路交換機解決方案的主要區別是提供靈活性和視覺化的獨特能力,同時不會影響性能。

電力預算與整體成本

除了傳輸量外(當然這仍會是關鍵),所涉及的電力預算也將成為關鍵,總體成本也是如此。採用模組化的方法建構交換機可以實現所有這三個指標,並能透過可配置性來匹配特定埠數、速度或扇出要求。Zimmerman認為,模組化架構意味著系統不會產生不必要的能力過剩,並且可以將適當的I/O組合分配給任何級別的交換機,因此,與交換機設計相關的功耗和成本都較低。此外,客戶可以獲得應對不同案例所需的I/O和容量可配置性。

工程級別的權衡

除了上述重要性能,交換機晶片的設計會受到很大的約束,需要工程級別的權衡。Sankar以博通三個系列產品為例,指出不同客戶群所需的屬性:Tomahawk對應超大規模資料中心架構,這需要最高的交換機頻寬和網路性能,並需要每位元頻寬的最佳功率效率和成本效率;Trident應對更廣泛的企業和私有雲資料中心,這裡的需求是多種且多樣的,而且對網路設備的壽命也要求更長;對於Jericho來說,重點是提供可擴展的電信級交換和路由解決方案,可在多個方面提供可擴展性,如:交換設備容量、路由/策略規模,功能規模(透過可程式設計性)和緩衝規模等。

立體的多維度考量

王峰則認為,未來對網路晶片的評價會是多面向的,不僅從單晶片的特性考量,還會把晶片融入到全網路的需求中去評估,自上而下的來挑戰晶片對未來雲端創新業務的支撐能力。同時,對於晶片企業,也會考察除了晶片外的軟體及方案創新能力。整個體系會變得越來越立體,也越來越豐富。

未來產品發展藍圖廠商各有所重

對應向更高傳輸量的演進,Marvell計畫充分利用自己獨特的模組化架構。「該架構為我們符合802.1BR標準的埠擴展器Prestera PX系列採用,將I/O與資料封包處理元件分開,從而將所使用的半導體製程技術(以及製造該IC的晶圓廠)從資料封包處理器和I/O的設計選擇中拆開;」Zimmerman補充,這意味著我們將能夠在新的I/O技術推出時對其進行支援,而不需要對整個交換機結構進行更改。

將I/O設計和結構設計相分離可以加快開發時間,減少工程量,並且在速度、饋電、I/O扇出等方面為客戶提供前所未有的可配置性。Zimmerman指出:「實質上,Prestera PX解決方案提供了一種革命性的方法,使得可以以傳統乙太網路交換機一半的功率和一半的成本 來部署機架式(ToR)交換機,同時也簡化了資料中心數10萬個埠的集中管理。」

盛科網路目前針對資料中心應用的晶片,是2016年進入量產的CTC8096,單晶片提供1.2Tbps的介面頻寬,支援4×25GbE的原生100GbE埠。盛科正在研發針對25G/50G/100G/200G/400G的高頻寬晶片。

隨著XP80投入量產,Cavium能提供10G、25G、100G的埠,可程式設計的晶片能支援任何市場協定。Gandhi表示:「在XPliant乙太網路交換機組合中,Cavium能提供從480G~3.2TB的解決方案。」

據悉,擎發通訊(Nephos)於2016年4月已量產第一代28奈米的Aries系列,總出貨量超過15,000片;今年4月提供樣品的16奈米Taurus預計於9月進入商業市場。另外,其下一代產品Leo符合100G/400G PAM4,且尺寸上還將小於Taurus。

終端廠商們會放棄in-house ASIC嗎?

在終端廠商這邊,也有不少廠商如華為(Huawei)、思科(Cisco)都有研發自己的ASIC。多年來他們利用自己的ASIC來滿足其高速交換需求的習慣。

Deierling 則認為設備廠商定制ASIC部分原因是:「許多商業矽ASIC已經做了性能折衷,且缺乏高階解決方案所需的可擴展性。」但隨著整合度和複雜度的提高,系統公司的ASIC在上市時間或價格/性能方面與商業晶片競爭變得困難重重,這個時候需要的是增加了可擴展性和靈活性的商業晶片。

「由於博通一直主導市場,所有來自OEM的產品看起來都是一樣的。因此一些公司認為,唯一的區隔化方法是打造客製化ASIC。」Gandhi認為:「我不認為有任何客製化ASIC能比性能最高的商業矽晶片更高。OEM還沒有因為想要獲取更高的性能來客製化ASIC。」

20170807NT01P1 圖1 博通提出的交換機IC設計考量要素。

OEM客製ASIC的目的,一般是為了在下一個性能點的需求上獲得一個差異化的性能,Gandhi表示,這個問題利用可程式ASIC就能解決。

Zimmerman則認為,由於競爭對手傾向於採取「一刀切」的策略,因此實際上玩家們被迫製造出大型、複雜和不靈活的交換機解決方案,這些解決方案僅「適用於」一種特定配置。當試圖應用到市場上越來越多的各種案例時,這種做法變得越來越不合適。

摩爾定律(Moore’s Law)根本無法跟上網路的需求,因為要處理的資料量持續呈指數成長。由物聯網(IoT)和大資料等趨勢所推動的數位流量,在未來幾年會有雙位數甚至三位數的成長,構成網路基礎的半導體技術必須改變,以作為因應。

業界將會出現將越來越多的模組化構建模組整合到ASIC設計中的需求,從而使開發過程變得更快更便宜。類似的趨勢已經在微處理器領域出現。Zimmerman指出,例如英特爾(Intel)收購Altera,就能把可程式邏輯添加到處理器中。模組化方法也能夠為與領先的資料通訊硬體公司合作帶來新機會,並為它們提供嵌入到其標準ASIC中的建構模組,從而更好的滿足包括速度、性價比、上市時間縮短和更好地利用可用資源等需求。

商用交換機晶片產業是在2000年從低階企業級/SMB開始進入市場,但此後越來越多地滲透到以前由客製化ASIC主導的網路基礎設施層面,如圖2。

20170807NT01P2 圖2 商用交換機晶片市場滲透過程。(資料來源:Dell'Oro report,2016年第二季)

Sankar指出:「我們預計未來這種趨勢不僅僅是資料中心網路,還包括企業和營運商/電信網路。」

20170807NT01P2-1 表1 各家業者乙太網路交換機晶片整理。(製表:EDN電子技術設計)