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網路設備設計中ASIC與ASSP的選擇

上網時間: 2003年07月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ASIC  ASSP  FPGA  choice  software 

在網路設備設計中,計畫組必須根據可擴展性、可程式性、總成本和上市時間等因素在ASICASSP之間作出選擇。通常在設計網路系統中的訊框器、映射器、串列╱解串交換機和CPU時採用ASSP較簡單,但在設計交換結構的專有功能、NPU或流量管理器時採用ASIC。本文根據不同的系統應用要求對兩者進行詳盡的對比分析。

網路產品開發過程中最重要一步是規格定義和系統結構設計。採用自頂向下的方法定義和設計系統結構很重要,並需要特別注意系統功能劃分,以及線路卡或交換卡等子系統的設計。如果在早期設計階段出錯或選擇不當,將可能在從設計實現到產品投產的過程中出現這樣或那樣的問題。

在線路卡和交換結構中通常包含一組複雜的元件,包括訊框器、映射器、並串╱串平行轉換器、光模組和CPU。這些元件通常用於實現基本功能和標準功能,因而可以用ASSP安全、經濟高效地實現。但是在這些系統中還有一些其它的重要部份需要考慮,包括MAC、交換結構、資訊流量管理器以及網路處理單元(NPU)。系統開發商正是透過對這些元件的不同設計實現了產品功能、性能和成本的差異化,交換結構、NPU和流量管理器還使開發商可以在網路的第二層實現關鍵意義上的獨特特性,而第二層正是網路系統的硬體直接與韌體相互銜接的地方,韌體則與第三層以及更高層通訊(見圖1)。

網路設備設計中的ASIC和ASSP

對於NPU、流量管理器、交換結構以及其它一些元件,計畫組必須考慮清楚在什麼時候和為何目的定製ASIC,以及哪些功能可以透過購買ASSP元件來實現。‘定製’和‘購買’是基於綜合多方面的因素來考慮,包括產品上市時間、開發商的資金狀況和工程資源,以及產品目前需要實現的功能和今後的擴展功能。後者包括實現產品的差異化,以及能否在下一代產品中輕鬆實現新的功能。

透過先定義所期望的特性,然後就可以將這些特性對應到任何現有的ASSP中去,看這些功能用ASSP實現所需的成本是否過高,或者是否會存在一些長期的不利因素。在進行這類決策的過程中,計畫組通常會發現在性能和成本之間難以平衡,而通常採用ASIC可以較好地解決這些問題。

在設計早期進行關鍵決策時,必須考慮系統的可擴展性或元件的可擴展性,這樣可以簡化下一代產品的設計。網路設備的生命周期很少有超過12到18個月的,因而計畫組必須對此有充分準備,從一開始就考慮到產品今後的更新換代問題。在某些情況下,第一代產品需要用ASIC來設計,而其後的則可用ASSP來實現。ASIC與ASSP之間選擇還可能影響到軟體的實現,因為隨著產品更新,還必須設計新的軟體。

一般而言,採用ASIC實現產品的差異化更加容易,系統設計工程師可以在產品中加入一些處於技術前端的特定功能。對於業務供應商而言,他們關心的是提高網路性能、推出新業務以及增大網路容量以吸納更多用戶,並提高頻寬利用率,而系統設備生產商對這些需求情況了解最清楚,他們可以比ASSP開發商更早地發現網路中所需的新功能。與ASIC相較,ASSP的設計周期相對較長,有時會落後一年甚至更久,因此,採用ASSP的系統常常難以滿足用戶對性能的需求。

軟體和韌體

軟體對網路系統的重要性決不能低估。隨著網路系統的速度和頻寬越來越高,軟體開發和整合問題變得越來越重要,而且還將影響設計初期在ASIC/ASSP間的選擇,因為此時必須考慮系統需要對韌體設計投入,以及如何將韌體與中間件和更高層的軟體整合起來。

網路系統的軟、硬體通常都很複雜,因此計畫組必須考慮ASIC廠商或者ASSP廠商能否提供技術支援。採用ASIC設計時,通常會有一個‘問題列表’(bug list),一旦發現問題可以得到快速解決。而採用ASSP設計時,則沒有這類支援幫助,因此工程師們很可能因為一個ASSP廠商沒有告知的問題而使設計陷入困境。採用ASIC進行設計時,在對元件進行除錯時,通常無需依靠外部資源。

此外,ASIC還可以縮短開發第三級韌體(level 3 firmware)所需的時間,並簡化開發過程。由於市場上大多數NPU中都沒有標準韌體(至少目前還沒有),所以用戶很容易受限於供應商的軟體結構。另外,如果採用ASIC設計,那麼計畫組也更容易根據PCB設計要求來定義自己的電介面,而不必依靠ASIC/ASSP供應商提供的介面。

可程式性、靈活性和可擴展性

在設計中採用ASIC的另一個好處是這些元件的功能都是針對系統要求開發的,因而軟體開發相對容易。而ASSP用於網路處理時則必須對第二層和第三層的特性作一定的組合和改動,要求暫存器和指令集具備可程式性和靈活性。這樣的結果就可能使NPU的編程工作變得非常複雜,因為程式員必須去學習相應的規格和編程模型,而如果不採用ASSP則可以完全不用了解這些規格和編程模型,程式員還必須為這些根本不會用到的功能特性而絞盡腦汁,佔用大量時間而毫無意義。通常ASSP NPU是為具備很多功能(如分組頭處理、插入或刪除、多播、廣播或頻寬管理)的電路板設計,因此它常常包含很多針對某個特定的應用而言可能根本毫無用處的功能,而那些有用的功能可很容易地嵌入到ASIC引擎中。

此時,必須再一次考慮到設計長遠利益和系統的可擴展性。在第一代設計中採用ASIC可為設計帶來更大的靈活性,而且在其後進行產品換代時的功能擴展中,ASIC也有其固有的簡便性。計畫組必須考慮清楚,他們是否能夠負責因專注於一個特定ASSP廠商的產品結構而帶來的壓力,因為ASSP可擴展性不足,而且在設計下一代系統中的其它元件時還會增加額外的成本。但ASSP對一些關鍵的分組處理功能而言則是不錯的選擇,設計師在設計這些功能時不需要提供很大的靈活性,只需滿足系統的一般要求,而不用關心系統的可擴展性。ASIC在網路傳輸系統中通常的應用如圖2所示。

當然,採用ASIC還是有缺點,最明顯的一點是計畫組採用ASIC進行設計時需要大量的工程資源,包括時間和初始投入。當然,這類消耗可以由ASIC在生產中比ASSP和FPGA更低的成本來彌補,然而實際情況並非總是如此。採用ASIC時的委託設計(NRE)成本通常較高,雖然已有ASIC生產商欲透過固定架構ASIC和多計畫晶圓降低NRE,但這方面的工作才剛開始。

作者:Asif Hazarika

高級系統結構設計師

富士通微電子(美國)公司




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