FPGA研究设计平台为网络发展加速

斯坦福大学与赛灵思研究实验室(Xilinx Research Labs)联手开发专门面向研究社群的第二代高速网络设计平台 NetFPGA-10G。该新型平台采用最先进的技术，能够帮助研究人员迅速构建高速复杂的原型，以解决网络领域新出现的技术问题。正如第一代平台已在世界各地的大学中得到广泛应用一样，我们希望新平台能够催生一个开源社区，贡献并共享IP，从而加快创新步伐。

开源软件库有助于软件、IP核以及设计经验的共享，进而催生新一代网络问题的解决方案。

基础平台为最终用户提供了迅速上手所需的所有要素，而开源社区则可以让研究人员利用彼此的成果，这样一来最大限度地减少了理念实际实施所需的时间，从而让设计人员集中精力进行创新。

2007年，我们开发出了第一代开发板NetFPGA-1G，采用赛灵思Virtex-II Pro 50，主要用于电气工程和计算机科学系学生的网络硬件教学。许多电气工程和计算机科学的毕业生走上了开发网络产品的岗位，我们希望他们能够有机会进行实际操作，亲自动手使用业界标准设计流程开发以线速运行且可植入正在运行的网络中的硬件。为此，最初的开发板必须具有低成本性。在多家半导体供应商的慷慨捐赠下，我们得以把设计的最终价格压到500美元以下。结果许多大学很快采用了该开发板，目前约有2,000个NetFPGA-1G开发板被世界各地的150个学院使用。

不过很快NetFPGA就超越了教学工具的范畴。研究社群逐渐将其用于实验和原型设计。为此，NetFPGA小组提供了免费的开源参考设计，并维护着有约50项研究人员所贡献设计的设计库。我们为新用户提供支持，运行在线论坛，提供辅导资料，举办夏令营和开发人员技术座谈。

可编程技术势在必行

10多年以来，网络技术在交换机、路由器及其它产品中的发展越来越体现出转发路径的可编程性。这在很大程度上是因为随着更多隧道格式、服务质量方案、防火墙过滤器和加密技术等的问世，网络硬件日益复杂化。加上日新月异的标准，可编程技术势在必行，比如说使用NPU或FPGA。

研究人员往往想改变部分或所有转发流水线。近来，有许多人关注全新的转发模型，比如OpenFlow。研究人员可以在全国范围内在国家级测试平台上，比如美国的GENI(http://geni.net)和欧盟的FIRE(http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fire/calls_en.html)上试验新型网络架构。

研究人员还越来越多地将NetFPGA开发板用于新理念的硬件原型设计，诸如新的转发模式、调度与查找算法，以及新的深层数据监测器。NetFPGA开发板上最常见的参考设计是功能齐全的开源OpenFlow交换机，可以让研究人员体验到标准设计的各个变体。另一项常用的参考设计则可以通过镜像硬件中内核路由表并以线速转发所有数据包来加速计算机主机内置的路由功能。

第二代NetFPGA

在第二代平台NetFPGA-10G上，我们添加了易用性，旨在为最终客户提供基本的基础架构，以简化他们的设计工作，这不仅扩大了我们的原始设计目标，而且这个目标与赛灵思主流目标设计平台的目标很接近，即除FPGA芯片外，还为客户提供工具、IP核和参考设计，以加快设计流程。

为实现这一目标，我们将以基础IP构建块和特定领域IP构建块形式提供与FPGA基础架构设计配套的开发板，以增强易用性，缩短开发时间。我们将进一步开发诸如网络接口卡和IPv4参考路由器等参考设计，以及协助设计构建、仿真和调试的基本基础架构。我们的想法是让用户把开发时间真正聚焦于他们特定的专业领域或者专题上，无需深入了解底层硬件的详细情况。

与主流目标设计平台不一样，我们的网络平台针对的是一个与众不同的最终用户群体，即囊括了学术研究和商业研究的这样一个庞大的研究群体。为了让该开发板得到广泛采用，多家半导体合作伙伴慷慨解囊，期望能将其成本降至最低。赛灵思及Micron、赛普拉斯半导体公司和NetLogic Microsystems等其他主力组件制造商也纷纷在向学术界最终用户捐赠部件(商业研究人员则需给付更高的价格)。

这个项目的部分优势在于这个平台得到了社区和开源硬件库的支持，可以以最初的基础方案为基础，促进软件、IP核和经验的共享。这样，我们期望在众多知名大学、研究群体和企业的支持下，IP库能够日益扩大完善，最终能够覆盖各种参考组件、网络IP核、软件和尖端的基础构架。我们还期望通过提供精心设计的框架，用系统的方法对专业知识和IP的共享稍加协调，并采用具有标准接口的设计精良的即插即用型架构，就可以让开源硬件库不断扩大，从而催生新一代网络问题的解决方案。

图1：围绕Virtex-5 FPGA构建的NetFPGA-10G板卡。

NetFPGA-10G是一种40Gb/s的PCI Express适配卡，拥有庞大的FPGA架构，能够尽可能多地支持各种应用。如图1所示，该板卡设计以一个大型的赛灵思FPGA器件Virtex-5 XC5VTX240T-2为中心。

图2：FPGA开发板与网络接口、PCIe、扩展、存储器、配置和电源五个子系统相连。

FPGA与5个子系统相连(见图2)。第一个子系统是网络接口子系统，有4个带有物理层器件的10Gbps以太网接口，用于让网络流量进入FPGA。第二个子系统是存储子系统，其由多个QDRII和RLDRAMII组件构成。I/O主要用于该接口，用来为诸如路由表或包缓存这样的功能提供尽可能高的可用片外带宽。第三个子系统是PCIe子系统。

第四个子系统是扩展接口，用于加载子卡或与其它板卡通信。为此我们把所有剩余的高速串行I/O连接端都接到了两个高速接插件上。第五个子系统是配置子系统，用于FPGA的配置。

总体而言，该板卡就是作为一个双插槽、全尺寸PCIe适配器来实现的。使用两个插槽是出于散热、功耗和高度方面的考虑。与高端图形卡一样，该板卡需要外接ATX电源，因为FPGA在绝对最大负载条件下，功耗可能会超过单槽PCIe允许的50W。不过该板卡也可在服务器环境外独立运行。

存储器子系统

我们设计流程的核心焦点是到SRAM和DRAM组件的接口。因为FPGA器件上的I/O总数限制了可用的片外总带宽，我们必须小心地达成一定的妥协，争取尽量多支持一些应用。要支持从网络监控到安全性、路由、流量管理等各类应用，会带来很大不同的约束。