Микросхемы FPGA в высокоскоростных сетях связи

Необходимость увеличения скорости передачи данных по сетям связи следующего поколения яв­ляется стимулом развития со­временных микросхем FPGA. В ста­тье кратко освещены возможности применения микросхем FPGA в связном оборудовании.

А. Мельниченко

Скорость передачи данных по проводным сетям связи постоянно увеличивается. Пят­надцать лет назад она измерялась сотнями ты­сяч бит в секунду. В современных сетях связи данные передаются со скоростью 10 Гбит/с, а на некоторых участках – до 1 Тбит/с. Это стало возможным, в частности, в результате исполь­зования микросхем программируемой логики FPGA. По мнению ряда специалистов, одно­временно с прогрессом в технологии их изго­товления будет возрастать их роль в аппарату­ре проводных сетей следующего поколения.

Ориентируясь на потребителей, согласных оплачивать получение мультимедийной ин­формации по широкополосным сетям, теле­коммуникационные компании, такие как AT&T и Verizon, требуют от изготовителей се­тевого оборудования создания более быстро­действующих устройств, позволяющих кроме речевой информации передавать и данные дру­гих форматов. Steve Rago, ведущий аналитик корпорации iSuppli, отмечает, что телефонные компании срочно пытаются перестроить свой бизнес, исключая из него услуги по передаче только речевой информации. Большие корпо­рации также испытывают потребность в высо­коскоростном сетевом оборудовании, позволя­ющем вести быстрый обмен данными с абонен­тами в любой точке Земли.

Производители сетевого оборудования, та­кие как Cisco Systems, Alcatel-Lucent, Nokia­Siemens Networks и Juniper Networks, ведут конкурентную борьбу за то, чтобы первыми выпустить на рынок оборудование со ско­ростью передачи данных 40 и 100 Гбит/с. Для этого они, не ожидая выпуска соответствую­щих стандартов, должны создать новое поко­ление маршрутизаторов и коммутаторов с при­менением наиболее совершенных микросхем.

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Сети связи похожи на сеть дорог, шоссе и автострад, связывающих один пункт назначе­ния с другим. Каждая дорога имеет ограниче­ние скорости, и в наиболее узких местах общее движение замедляется, увеличивая время дос­тавки информации в пункт назначения.

Когда пользователь загружает файл из сети Интернет, компьютер может принимать дан­ные со скоростью до 1 Гбит/с, однако реальная скорость ограничивается проводной линией, соединяющей компьютер с сетью доступа.

Когда с компьютера посылается запрос в сеть доступа, в ней происходит определение размера и адреса пакета данных и пересылка его по цепи быстродействующих маршрутиза­торов и коммутаторов к месту назначения со скоростью около 10 Гбит/с.

В пересылке данных на большие расстоя­ния может также участвовать оптическая сеть, информация по которой передается со ско­ростью света к сетям мультисервисного досту­па, связанным с сервером данных, в котором хранится затребованный пользователем файл. Сервер отсылает данные пользователю, неред­ко по тому же маршруту (рис. 1).

Рис. 1. Проводная сеть связи следующего поколения со скоростью передачи 40-100 Гбит/с

В каждом узле сети маршрутизаторы счи­тывают размер и адрес пакета данных и опре­деляют наиболее оптимальный маршрут его пересылки к следующему узлу. В случае ис­пользования оптической сети входной марш­рутизатор преобразует цифровые данные в оп­тическую форму, а выходной выполняет обрат­ное преобразование.

Время доступа к странице Интернет или загрузки файла колеблется, как правило, в пределах от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера файла и рас­стояния между пользователем и сервером, на котором он хранится. В ближайшей перспек­тиве данные по сетям будут передаваться быст­рее, в частности, благодаря совершенствова­нию технологии ПЛИС FPGA.

В настоящее время широкое распростране­ние получила технология передачи данных Ethernet 10 Гбит/с (10GE). Сейчас ведется раз­работка стандарта IEEE 802.03ba для сетей Ethernet 40 и 100 Гбит/с (40GE и 100GE), кото­рый, как ожидается, будет готов в конце 2009 г.

Следующим шагом станет развитие сетей Ethernet 40GE, и, вероятно, наибольшее рас­пространение они получат на промышленных предприятиях. Для передач на большие рас­стояния будет использоваться сеть 100GE. Не исключено, однако, что конкуренция заставит некоторые компании монтировать сети пред­приятий в соответствии со стандартом 100GE.

НЕМНОГО О МАРШРУТИЗАТОРАХ

Чтобы транспортировать данные со скорос­тью, регламентированной стандартами 40GE и 100GE, производители сетевого оборудования должны разработать маршрутизаторы и ком­мутаторы высокой сложности, в которых воп­лощены последние достижения схемотехники. Например, основой маршрутизаторов для мультисервисных сетей доступа является на­бор линейных карт. При поступлении на вход линейной карты пакетов данных определяют­ся их размер и пункт назначения, после чего они передаются в коммутатор, пересылающий эти пакеты к следующему пункту назначения. Время выполнения этих операций не должно превышать нескольких наносекунд.

Линейная карта состоит из центрального процессора, нескольких специализированных сетевых процессоров (NPU) и большого числа сверхскоростных микросхем FPGA. При пос­туплении на вход линейной карты очередного пакета данных с помощью микросхем FPGA он преобразуется в формат, доступный для чте­ния маршрутизатором. Микросхемы FPGA также облегчают обмен данными между цент­ральным и сетевым процессорами во время считывания адреса, по которому пересылается пакет данных.

РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МИКРОСХЕМ FPGA

Маршрутизаторы должны обеспечивать об­работку пакетов данных, созданных на основе различных протоколов. Некоторые пакеты мо­гут совмещать несколько протоколов. Если бы все компании договорились использовать один протокол или их набор, скорость передачи ин­формации по сетям можно было бы увеличить. Однако в используемых в маршрутизаторах протоколах как раз и заложены основные пре­имущества одной сети перед другой.

По проводным сетям следующего поколения можно будет одновременно передавать инфор­мацию с web-сайтов, речевую и видеоинформа­цию, для чего необходимо разработать новые протоколы. При этом для реализации этих про­токолов особую важность приобретает возмож­ность модернизации аппаратуры с расширени­ем числа ее функций. Многие компании пред­почитают не применять в своей аппаратуре свя­зи специализированные микросхемы (ASIC и ASSP) из-за того, что они позволяют изменять только собственное программное обеспечение. Применение микросхем FPGA открывает воз­можность модернизации аппаратуры путем проверки функционирования новых алгорит­мов работы на программном уровне, а затем ре­ализации их на микросхемах FPGA.

Ряд производителей считают, что в марш­рутизаторах микросхемы FPGA будут играть едва ли не основную роль, реализуя на основе единой программируемой логической структу­ры те функции, которые обычно выполняются сетевыми процессорами. И уверенность в этом повышается с появлением очередной серии микросхем FPGA. Совмещение нескольких функций в одной микросхеме позволит в ко­нечном счете увеличить скорость обработки данных, уменьшить затраты на приобретение комплектующих и потребление энергии марш­рутизаторами, а, следовательно, общие расхо­ды на эксплуатацию сети. Кроме того, приме­нение микросхем FPGA открывает возмож­ность изменения конфигурации сетевого обо­рудования в месте его эксплуатации.

Универсальные микросхемы FPGA занима­ют все большее место во вновь разрабатываемых маршрутизаторах. Учитывая стремление ком­паний к постоянному расширению пропускной способности сетей, разработчики новых се­мейств микросхем FPGA увеличивают число со­держащихся в них быстродействующих прие­мопередатчиков и скорость работы каждого из них. Например, недавно выпущенные микро­схемы Virtex^®-5 TXT содержат до 48 приемопе­редатчиков с пропускной способностью каждого до 6.5 Гбит/с. Суммарная полоса пропускания при этом достигает 312 Гбит/с, что необходимо для построения сетевых мостов.

В соответствии с законом Мура число логи­ческих ячеек увеличивается примерно вдвое с появлением нового поколения микросхем FPGA. Это позволяет изготовителям оборудо­вания расширять функциональные возмож­ности микросхем FPGA, добавляя к ним и те, которые ранее были прерогативой сетевых процессоров.

Разработка сетевых процессоров для каж­дого поколения оборудования или принятие решения о том, какой из них является наибо­лее оптимальным для выполнения конкретной задачи, является еще одной проблемой, с кото­рой сталкивается большинство изготовителей сетевого оборудования. Дело осложняется тем, что с каждым новым поколением маршрутиза­торов возрастают затраты времени и средств на создание сетевого процессора. Каждый процес­сор является специализированным устрой­ством со своим уникальным набором функций. Число компаний, разрабатывающих сетевые процессоры, постоянно меняется, побуждая некоторые крупные компании, такие как Cisco Systems, развивать собственное производство этих процессоров.

Однако, поскольку технология FPGA посто­янно совершенствуется, потребители имеют все возможности для интеграции алгоритмов работы сетевых процессоров непосредственно в микросхемы FPGA.

Можно также спроектировать устройство, в котором конфигурация микросхем FPGA опе­ративно изменяется, что позволит выбирать оптимальный режим чтения пакетов данных с различными протоколами, проверять их за­щищенность, а также выбирать наилучший маршрут их следования.

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОСХЕМ FPGA В ПРОВОДНЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ

В настоящее время наибольшая из микро­схем FPGA, выпущенных компанией Xilinx, – Virtex-5 TXT XC5VTX240T – включает 37 440 логических блоков, содержащих в общей сложности 239 616 ячеек. Ее архитектура пре­доставляет разработчикам большие возмож­ности для поддержки многих стандартов (XAUI, RXAUI, Interlaken, Sonet, ODN и др.).

Компания Xilinx в тесном сотрудничестве с фирмой Sarance Technologies вела работы по созданию первого полнофункционального 100GE МАС-контроллера (Media Access Con­troller), совместимого со стандартом IEEE 802.3ba и реализованного на микросхемах FPGA Virtex-5. В середине 2008 г. фирма Sarance объявила о завершении разработки 100GE MAC-контроллера и испытании его опытных образцов, включающих две микросхе­мы FPGA серии Virtex-5 FXT, 10 внешних уст­ройств с пропускной способностью 10 Гбит/с и большое число интерфейсов.

Созданный на основе микросхемы Virtex-5 TXT новый 100GE мост MAC- Interlaken может служить наглядным примером реализации всех необходимых функций с помощью одной микросхемы FPGA и трех преобразователей параллельного кода в последовательный и на­оборот. Встроенные в приемопередатчик GTX кодеры/декодеры позволяют сократить число логических схем и потребляемую микросхе­мой мощность.

В июне 2008 корпорация Comcast успешно закончила экспериментальную передачу дан­ных по магистральной линии связи между городами Филадельфия (Philadelphia) и Мак- Леон (McLean), штат Вирджиния, с использо­ванием первого серийно выпускаемого марш­рутизатора с интерфейсом 100GE. Система построена с применением микросхем Virtex-5 FXT, содержащих высокоскоростное ядро Ethernet HSEC (High Speed Ethernet IP Core) фирмы Sarance.

В настоящее время наблюдается бурное раз­витие технологии FPGA. Ожидается, что в но­вых разработках роль микросхемы FPGA ста­нет еще более заметной. Компания Xilinx пос­тоянно выпускает новые продукты для рынка проводной связи не только для того, чтобы ос­таться на лидирующих позициях, но и для то­го, чтобы использовать их в новых проектах.