【芯视野】始于华为 国产NP芯片正在重塑核心路由

如果说家用路由器撑起了家庭的小网络，核心路由器则撑起了全世界的大网络。它们存在于广域网的各个节点中，像水闸一样控制着信息的流动。

当5G、AI、云计算等技术兴起的时候，全世界的运营商网络都面临着重大挑战，巨大的互联网流量喷涌而来，时刻冲击着整个体系。作为主要的节点设备，核心路由器定海神针的作用更加显著，因为其性能直接关系着全网络的容量与质量。

素有IP网络领域“皇冠上的明珠”之称，核心路由器是厂商技术底蕴的集中体现。其中，最为关键的NP（Network Processor，网络处理器）芯片能否自行研发，已经成了衡量厂商实力的一个标准。而随着新华三于今年正式发布自研的NP芯片，包括思科、Juniper、华为、中兴在内的全球高端路由器厂商均实现了核心芯片自研。这也宣告了NP芯片的发展进入了一个新的时代。

网络设备发动机

核心路由器经过几十年的发展，从单CPU芯片模式，已经发展为“NP芯片+CPU+ASIC”分布式转发模式。NP芯片是应对当前流量爆发、高速业务类型不断增多、多业务融合的关键芯片，是除了网络操作系统外厂商的另一核心竞争力。

“现在技术发展非常快，今天路由器一个线卡可以做到1.2T、2.4T和4.8T，整个机箱的转发能力几乎相当于过去的一个集群路由器的能力，甚至有一些电信专家预言，也许未来大单机将把集群产品替代掉。”新华三集团联席总裁、首席技术官尤学军指出了核心路由器发展的现状。

驱动核心路由器增长有两个动因：流量大爆发和IPv6。

首先，随着中国正式进入5G商用元年，从消费到产业，从人与人的连接到物与物的互联再到人与物的交互，连接设备数量将呈爆发式增长。移动数据的爆发增长与连接设备的数量增长驱使吞吐量大、端口数量多的高端路由器市场迎来增量阶段。

其次，2016年至2021年全球支持IPv6的设备数量将以27%的速度增长。虽然当前市场上提供的高端路由器大多可支持IPv6协议，但不支持IPv6协议的路由器存量仍很大。随着IPv6设备的连接数量上涨，IP网络中的老旧设备将逐渐被替换，市场对新一代的高端路由器需求逐步释放。

从路由器的功能来看，有两个关键的技术点，一个是路由信息的生成，另一个是报文根据转发表进行转发。特别是后者，不但作用巨大，且挑战的技术难题很多。NP就是为了解决这个挑战而生的。

NP最大的优点是通过专门的指令集和配套的软件开发系统提供强大的编程能力，因而便于开发应用，可扩展性强，而且研制周期短，成本较低。

作为更加接近ASIC的处理器，NP有比肩ASIC的性能，同时又提供灵活的编程能力。2000之后的十年中，大量建成的各种VPN网络、MPLS网络、IPV4/IPV6混合网络、精细的流量管理、各种安全网关，无一不得益于这种灵活的可编程性。

当前这个时代，由于开发成本加大对企业的压力以及5G、云数字对速度的新要求，NP更是被看做是路由器/交换机的性能锚点。

NP诞生初期，市场上存着多家芯片供应商，但是随着行业的发展，设备商自研NP渐成主流，比如思科和华为，在很早就展开了产品的研发，现在已经可以实现自给自足。

一退一进

在设备厂商自己造芯的同时，第三方供应商正在逐渐退场。

不过，与通用CPU不同，NP研制一方面涉及网络通信、微电子、操作系统以及处理器体系结构等多个领域的技术，设计难度很大；另一方面，其处理性能必须能够匹配飞速增长的网络接口带宽需求，硬性要求高。总体来说，NP复杂度高、实现困难、研制周期长、投入资金高昂、研发难度非常大。那为什么设备厂商还乐此不疲呢？

按照一位业内人士的分析，整个电信行业利润率在持续减少，而NP的用量并不大，低端有百万片已经挺不错了，高端更是可能只有几万片。这就使得开发商用NP逐渐无利可图，迫使博通这样的厂商逐渐退出了这个领域。随着商业NP市场空间的进一步萎缩，反过来又倒逼设备厂商自研芯片。

“博通这样的公司会选择优先开发量比较大的数据中心交换机芯片，比如叶交换机、脊交换机，以及园区交换机。由于体量不大，那么开发的优先级就需要往后排一下。这就使得其开发进度不能很好地匹配思科等头部企业的需求。”该人士表示。

思科在2016 年3月研发自己的新一代芯片的原因，就是当时在市场上的Trident II 与Tomahawk仍是28nm 的时候，思科希望能够率先使用16nm的交换机芯片。

还有一个重要的原因，就是能实现产品的差异化。

一些高端场景要更加注重领先的性能，以及一些差异化的性能，而在此种场景下研发自有芯片，形成和竞争对手的差异化，是获得商业竞争优势的一个重要砝码。由于此类场景芯片的需求体量并不太大，商用芯片在此类场景中成本并没有多大的优势。比如，华为的最高端产品就依靠自研Solar芯片的技术上获得了创新性的优势。

尤学军就表示：“新华三本身在路由器市场，尤其是运营商方面，已经进入到了第一阵营。如何保持我们的技术继续领先呢？就需要自研芯片。”

集体崛起

国内路由器市场集中度很高，华为、中兴与新华三基本占据了国内路由器市场，三家企业合计市场份额超过90%，剩下的市场则分属思科与Juniper以及其他国内网络设备厂商。

路由器占整个广域网设备的比例达到80%以上，国内路由器厂商都把核心路由器作为快速发展的战略，对自研芯片也就格外重视。

最早意识到自研芯片重要性的就是华为。华为自 1999 年开始研制基于ASIC架构的Solar 芯片，2004年正式商用。目前为止已经演进到基于NP架构的5.0版本。

Solar 5.0 发布于2016年，采用了 16nm 制程、集成 45亿门电路，拥有288个内核、3168 个线程；架构上的持续优化使之较上代版本提升了 4 倍的吞吐量。

从2012年开始，华为在NE Solar芯片的基础上开始延伸，面向交换机推出了Solar-S系列芯片、面向安全、AR推出了Solar-A系列芯片，打造全系列的Solar家族，推出端到端的自研产品系列。

中兴通讯在2015年推出首款自研NP芯片——SSP-1。经过3年的积累，中兴通讯又推出集成FlexE和TSN功能的NP芯片，实现MAC、FlexE、转发引擎、查找引擎、交换网接入和TM(Traffic Manager)六合一的超高集成度。

2017年和2020年，中兴相继启动第三代和第四代自研NP的研发。持续的研发投入带来技术实力的稳步提升，中兴第4代NP的规划已在接口容量上对齐业内一流水平，采用最先进的5nm工艺和112Gbps Serdes技术。

最后进行自研的是新华三，由于具有后发优势，这款NP在技术上也有很多亮点。具体来说，包括集成256个专用处理器，革命性地支持C语言完全可编程；具有超高集成度，超过180亿晶体管，首家集成12路LPDDR5控制器，超大DDR带宽；提供高达1.2Tbps的接口吞吐能力。

从芯片本身的性能上来评判，国内厂商已经完全可以与国际大厂一较短长了。

除了考虑抢占上市时机，并大幅降低成本外，国内厂商在选择自研芯片时，还有一个对供应链安全的考量。当前，无论是出于国家战略安全的考虑，还是产业升级的需要，只有自主研发才是实现供应链自主可控的根本途径。虽然这条路很坎坷，但是国内厂商还是会坚定不移地走下去。（校对/Andrew）