多核提升下一代基站性能

智能電話的廣泛普及和無(wú)處不在的3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入不斷推動(dòng)全球無(wú)線流量的快速增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)流量進(jìn)一步增長(zhǎng)，而語(yǔ)音流量則基本持平。據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，今后幾年間數(shù)據(jù)流量每年的增幅將達(dá) 150%，這意味著網(wǎng)絡(luò)帶寬需求每18個(gè)月就要翻一番。無(wú)線運(yùn)營(yíng)商希望新型芯片解決方案不僅能夠高效滿足上述增長(zhǎng)需求，同時(shí)還要在不影響服務(wù)質(zhì)量的情況下支持最新網(wǎng)絡(luò)對(duì)于帶寬的需求。

針對(duì)基站的系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化

未來(lái)的基站對(duì)處理功能的要求更高，同時(shí)還要降低功耗并縮小尺寸。不妨設(shè)想一下LTE eNodeB 站需要支持的L1、L2和L3處理功能。如圖1所示，L1模塊負(fù)責(zé)天線接口管理、物理通道存取和測(cè)量。L2模塊負(fù)責(zé)報(bào)頭壓縮 (RoHC)、加密、不同支持協(xié)議的分段/重組以及所需的多路復(fù)用。L3 模塊則負(fù)責(zé)處理控制和傳輸層的需求，如 IPsec 與流量管理、BTS 模塊管理、PMIPv6 以及 MIPv6 等。

展望新一代基站的前景，片上系統(tǒng) (SoC) 方案擁有毋庸置疑的重要性，因?yàn)槭褂梅至⑹浇M件再也無(wú)法滿足 LTE 乃至今后更高標(biāo)準(zhǔn)對(duì)時(shí)延與確定性的要求。即便在 SoC 界限內(nèi)，設(shè)計(jì)人員也同樣面臨著實(shí)現(xiàn)最佳架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解決方案之間的權(quán)衡取舍問(wèn)題。

傳統(tǒng)多核方案與非對(duì)稱多核方案的對(duì)比

面對(duì)日益復(fù)雜的基站需求，我們?cè)撊绾芜M(jìn)行選擇？

傳統(tǒng)的異構(gòu)多核解決方案進(jìn)一步發(fā)展將有助于解決 LTE 乃至更高標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。不過(guò)這種方法的功耗和確定性性能仍是待完善的問(wèn)題，同時(shí)資源爭(zhēng)奪問(wèn)題也會(huì)造成麻煩。非對(duì)稱多核解決方案模型傾向于用少量通用處理核心來(lái)處理需要較高軟件靈活性的功能，同時(shí)用大量的硬件加速器來(lái)處理盡可能多的任務(wù)。硬件任務(wù)調(diào)度軟件可管理核心與加速器之間的任務(wù)流。這種方法通常能將功耗減半并提升效率，因?yàn)樗斜匦璧墓δ軌K都包含在同一SoC中。

非對(duì)稱多核解決方案可最大限度地提高核心與加速器的利用率。相對(duì)于傳統(tǒng)多核SoC而言，非對(duì)稱多核SoC的設(shè)計(jì)工作更加復(fù)雜，不過(guò)一旦設(shè)計(jì)完成，非對(duì)稱多核SoC就會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供“量身打造的”方案，以將通用處理核心的要求減輕一半。

LSI Axxia 通訊處理器非對(duì)稱多核架構(gòu)示例

以下部分以 LSI Axxia 通訊處理器為例，介紹可從硬件加速獲益的4個(gè)不同領(lǐng)域。

·智能分組引擎

無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)主要需求就是查找分組報(bào)頭并在執(zhí)行所需的報(bào)頭修改后進(jìn)行數(shù)據(jù)包路由。在非對(duì)稱多核SoC中，硬件引擎無(wú)需CPU干預(yù)就能滿足上述要求，從而將CPU核心從龐大的計(jì)算負(fù)荷中解放出來(lái)。就 LSI Axxia通訊處理器而言，這些引擎支持樹(shù)形最長(zhǎng)前綴分類、ACL（訪問(wèn)控制列表），而且在完全由硬件管理表格添加/刪除/更新情況下能支持基于哈希的線速狀態(tài)協(xié)議學(xué)習(xí)。同時(shí)，可對(duì)校驗(yàn)和進(jìn)行檢查并對(duì)輸入流量進(jìn)行 CRC 檢驗(yàn)的 PIC（數(shù)據(jù)包完整性檢查），也可作為該模塊的一部分在硬件中提供支持。此外，作為協(xié)議處理的一部分，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集、狀態(tài)管理、計(jì)時(shí)器維護(hù)和動(dòng)態(tài)資源分配等也都由可同時(shí)支持?jǐn)?shù)百萬(wàn)個(gè)通訊流的硬件進(jìn)行管理。

·流量管理器

由于精細(xì)粒度通訊流在高速連接設(shè)置、斷連和服務(wù)質(zhì)量 (QoS)方面有較高要求，因此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要具備高級(jí)流量管理功能?；谟布牧髁抗芾砥髦С?jǐn)?shù)百萬(wàn)個(gè)通訊流，可通過(guò)多級(jí)調(diào)度層級(jí)識(shí)別并管理通訊流，因此能夠很好地滿足有關(guān)需求。由于調(diào)度任務(wù)的復(fù)雜性可能非常高，因此調(diào)度程序應(yīng)通過(guò)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的軟硬件結(jié)合方式支持多種不同的策略，其中包括加權(quán)輪叫 (Weighted Round Robin)、加權(quán)赤字輪叫 (Weighted Deficit Round Robin)、加權(quán)公平隊(duì)列 (Weighted Fair Queuing) 等。此外，硬件還需要支持多播、隊(duì)列成形以及策略制定等功能。

·線速安全協(xié)議處理器

與安全相關(guān)的處理需求非常多，會(huì)占用大量通用 CPU處理能力。但基于通用CPU核心的解決方案存在吞吐能力的不穩(wěn)定問(wèn)題。

LSI Axxia通訊處理器中基于硬件的安全協(xié)議處理器可處理 6Gbit/s的流量，而 SoC上4個(gè)通用CPU 核心的負(fù)載為零。LSI Axxia處理器在SoC中包含兩個(gè)用于處理 IPSec與DPI要求的獨(dú)立硬件加速器引擎，從而可將起相同作用的通用核心徹底解放出來(lái)。DPI 硬件引擎也包含在 LSI ACP中，支持可用于過(guò)濾包含病毒和垃圾郵件的惡意流量的正則表達(dá)式掃描，并能對(duì)用于掃描的規(guī)則集進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

·支持高效 SoC 通訊

就傳統(tǒng)多核處理器而言，傳入的流量始終由 CPU核心接收。上述核心將接收到的部分流量路由至加速器引擎進(jìn)行處理，然后再將處理后的流量回收至核心，從而實(shí)現(xiàn)部分任務(wù)的核外處理。LSI Axxia除了幾個(gè)硬件加速器模塊之外還有4個(gè) PowerPC 核心。為了能夠高效路由片上流量，Axxia 通信處理器采用能實(shí)現(xiàn)任意流量路由的LSI虛擬管線技術(shù)。流量可從輸入端口直接路由至硬件加速引擎，再路由到下一個(gè)加速引擎，傳輸路徑完全取決于特定流量的處理需求，與是否使用CPU核心無(wú)關(guān)。

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包制定的各種分類決策，每個(gè)數(shù)據(jù)包或通訊媒體流在離開(kāi)ACP之前都可經(jīng)過(guò)引擎與CPU核心的任意路由組合。這種靈活性非常強(qiáng)大與便捷，有利于設(shè)計(jì)流經(jīng)器件的通訊流。