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英特尔收购Barefoot背后的逻辑

2019-11-09 07:53:05   【浏览】4303


资料来源:内容来源于《老实人谭鑫》。谢谢你。

今年6月,英特尔宣布收购一家名为“赤脚”的公司,以帮助英特尔数据中心部门“更好地应对云数据中心客户不断变化的需求”收购完成后,赤足首席执行官兼总裁克雷格·巴拉特(craig barratt)博士(下图右首)被任命为英特尔数据中心部门下连接组的总经理,负责英特尔以太网控制器、网卡、交换芯片等一系列网络产品。

(英特尔图片)

许多读者可能没有听说过赤脚。事实上,它的快速发展已迫使博通和英特尔等传统网络交换芯片制造商陷入困境,有一种“赤脚不怕穿鞋”的感觉

本文将详细解释这家“赤脚”公司的四项核心竞争技术:

1.编程语言:p4

2.可编程芯片架构:比萨

3.编译器和工具链:p4工作室

4.可编程网络芯片:tofino

编程语言:p4

早在2014年,赤足、英特尔、谷歌、微软、斯坦福大学和普林斯顿大学联合发表了一篇题为“p4:编程协议独立的分组处理器”的论文,这也代表了P4编程语言的正式诞生。

P4本质上是一种特定于域的网络数据包处理语言。从它的全名可以看出,p4的主要特点是它与特定的网络协议无关,这与目前蓬勃发展的sdn(软件定义网络)概念相吻合。

在sdn网络中,它通常可以分为两部分:控制平面和数据平面,这也是它区别于普通网络的最基本特征。其中,控制平面负责数据平面中各种网络设备的集中管理和配置,两者通过标准化接口互连。控制平面通常基于标准cpu实现,因此具有很强的可编程性。数据平面的传统实现基于各种网络设备制造商和为不同网络功能提供的各种设备。这种实现方式充其量是“百花齐放”,充其量是“杂乱无章”和“互相争斗”。由于各种设备和网络协议之间缺乏兼容性和通用性,sdn数据平面在规模和功能上的可扩展性受到很大限制。

在现有的sdn网络中,openflow通常用作控制层和数据层之间的标准化接口。许多网络设备供应商也相继推出了许多支持openflow编程的网络硬件。然而,openflow标准与网络协议密切相关,它的多个版本旨在增加对更多协议的支持,如下图所示。

随着网络流量的爆炸性增长,各种新的网络协议层出不穷。例如,在云数据中心,各种隧道和封装协议(如vxlan等。)已被广泛采用。此外,许多网络设计者也希望使用定制或非公共网络协议来更好地满足他们自己和客户的定制需求。这些新的应用场景一方面要求openflow不断更新标准,另一方面要求硬件供应商不断更新硬件以支持这些新兴协议。然而,这显然不能满足网络发展的需要,无论是在成本还是时间上。

事实上,p4的诞生是为了为sdn的数据平面提供独立于协议的可编程性。如下图所示,网络设计人员可以通过p4定义数据平面的转发和处理规则,如报头解析、匹配、表条目配置等。,然后通过编译器在目标交换机上实现它们。

P4作为一种开源的特定领域语言,如今已经发展到相当大的规模,得到了包括英特尔、赛勒斯、微软、谷歌、思科、阿里、腾讯等数十家科技公司和大学的代码贡献和支持。

值得注意的是,openflow和p4都是由一位大师写的,也就是斯坦福大学的尼克·麦肯恩教授。作为sdn的发起者和先驱,他先后发起并建立了开放网络基金会(onf)和p4.org,负责制定p4标准。此外,他也是许多初创企业的创始人,包括本文介绍的赤足:麦克考恩教授是赤足:麦克考恩(McKeown)的联合创始人和首席科学家。

业内有句谚语“一流企业是标准制定者”。赤足作为p4语言的主要发起者,是由sdn领域最权威的人丹尼尔创立的,因此它在行业中的影响力不言而喻。

可编程芯片架构:比萨

赤足的核心竞争力之一是提出一种通用的、协议无关的、可编程的交换芯片架构:PISA(协议无关的交换架构)。

比萨的建筑图如下所示。它的主数据路径由大量流水线方式的“匹配动作”单元组成。在管道的入口处,有一个可编程的包头解析器,负责预处理和解析数据包。此外,管道还具有返回路径,适用于数据包需要多次分析和反馈处理的情况。

对于每个“匹配动作”单元,其微体系结构如下图所示。可以看出,它包含多个由sram和tcam组成的并行查找表单元,可以同时进行大量的精确匹配和三值匹配。然后,alu计算并修改所查找的条目,将其组合成一个新的数据包报头,并传输到下一级流水线。

Pisa的架构由通用逻辑单元和流水线组成,因此它独立于特定的协议,可以通过编程实现各种标准或定制的网络数据包处理规则,而无需修改架构,如下图所示。

编译器和工具链:p4工作室

使用编程语言p4和底层架构pisa,编译器自然需要映射这两者。因此,赤脚拥有一个名为p4 studio的编译器和开发工具包。它的功能是将p4语言中描述的数据包处理规则完全正确地映射到pisa体系结构中。其功能架构如下图所示。

P4工作室主要包括以下主要组成部分:

1.p4编译器、调试器和ide。

2.p4语言模拟环境和测试框架。

3.底层硬件的通用接口和驱动程序。

4.支持开源网络操作系统,如惠普的openswitch、微软的sonic和脸书的fboss。

随着一种新的编程语言、编译器和系统架构,一种新的可编程网络芯片诞生了。

一种可编程网络芯片:tofino

托菲诺是赤脚的第一个可编程开关芯片,它基于TSMC的16纳米finfet+工艺。赤足在推出时表示,该芯片是世界上最快的交换芯片,性能为6.5tb/s,与伯通等公司旗舰产品的性能相当。同时,tofino基于pisa架构,可以通过p4语言进行现场编程,具有asic的基本功耗和成本数据,这也是它区别于其他“传统”网络交换芯片的最大特点和优势。

托菲诺的芯片架构如下所示。可以看出,tofino有4条pisa架构的管道,负责通过同一tm的4条管道之间的流量调度和管理,可支持多达130万条ipv4路由。每个管道包含16个100g mac,可以配置为10g/25g/40g/50g等各种模式。

目前,赤足推出了基于7纳米工艺制造的第二代tofino芯片,性能翻倍,支持高达12.8 TB/s的数据包处理速率

基于p4的可编程网络芯片对fpga的影响

网络数据处理和加速一直是fpga最重要的应用领域。如前一篇文章所述,英特尔最近刚刚调整了组织结构,将fpga和网络平台部门结合起来,这表明了它对fpga在网络领域的重视。在sdn和nfv的应用中,也有许多fpga卸载和加速网络功能以及智能网卡等实际案例。,在崂山的前几篇文章中也有详细介绍。

然而,fpga开发的难度一直是制约其广泛应用的最大障碍之一。因此,使用opencl等高级语言进行fpga编程和开发已经成为业界和学术界的热门话题之一。

近年来,这类研究的焦点已经转向对特定领域语言的探索,就像网络领域中的p4语言一样。如前所述,英特尔和赛勒斯都是p4.org的成员,也是代码贡献者之一。两家公司都在进行p4语言fpga编程的相关研究。

在2019年的fpga大会上,Cyrus、nick mckeown教授和剑桥大学共同发表了一篇关于p4编程fpga的论文,论文使用Cyrus的p4-sdnet编译器生成底层verilog代码模块,然后将其映射到一个称为“netfpga”的参考设计,如下图所示。

对于英特尔来说,它还在赤足收购之前开始了p4 fpga编程的研究。在最近出版的白皮书(下)中,英特尔和netcope公司联合开发了一款使用p4 fpga编程的智能网卡,并获得了100g吞吐量的应用示例。此外,p4语言的原始作者之一丹·达利(dan daly)曾是英特尔公司的首席工程师。收购赤足后,相信包括fpga和asic在内的各种英特尔芯片的p4编程将会得到极大的推广。

结论

赤足作为一家“连接良好”的初创企业,很好地抓住了当前网络架构发展的最大痛点,提出了已经成为行业标准的p4语言,开发了相应的pisa芯片架构和编译器,并制作了两个完全可编程的高性能网络交换芯片,可以说构成了一个完整的技术闭环。现在被英特尔收购对双方都有很大好处。赤足创业的整个过程和理念值得芯片初创公司学习。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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