ASIC|从边缘到中心网络，为什么是ASIC？中心|网络|cpu|数据包|gpu|低薪

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在边缘网络上，Cloudflare正在进行着自己的计划。ASIC扮演了越来越重要的角色，从网络、AI计算、3D渲染、视频编解码等。Cloudflare网络工程师介绍了ASIC在网络方面的关键价值，以点及面，看上去ASIC在边缘大有可为。
文/Tom Strickx
译/Kalinda Xie
在Cloudflare，我们以遍布全球100多个国家200多个城市的全球网络感到自豪。为了处理通过我们网络的所有流量，我们运用多种技术。现在让我们看一下所有这些技术的奠基石之一…ASICs。不，不是跑鞋。
什么是ASIC？
ASIC代表应用专用集成电路。顾名思义，这是一种用例非常狭窄的芯片，适用于单个应用程序。这与CPU（中央处理单元），甚至GPU（图形处理单元）形成了鲜明的对比。CPU是为通用计算而设计和构建的，在很多方面做得相当好。GPU更适合图形（与其名字相符），但是在过去的15年中，已经发生了向GPGPU（通用GPU）的急剧转变，其中CUDA或OpenCL等技术使您可以使用高度并行的特性GPU进行通用计算。GPU使用的一个很好的例子是视频编码，或者最近在自动驾驶汽车等应用中使用的计算机视觉。
与CPU或GPU不同，ASIC在构建时就考虑了单个功能。Google Tensor处理单元（TPU）就是很好的例子，用于加速机器学习功能[1]或用于轨道操纵[2]，其中编码了特定的轨道操纵，例如霍曼转移（Hohmann Transfer），用于移动火箭（及其有效载荷）到不同高度的新轨道。而且它们在网络行业中也有大量的应用方向。从技术角度上讲，网络行业中的用例应称为ASSP（应用专用标准产品），但是网络工程师是简单的人，因此我们更喜欢将其称为ASIC。
为什么选择ASIC
ASIC的主要好处是效率极其高。硬件越复杂，就越需要冷却和电源。由于ASIC仅包含其功能所需的硬件组件，因此可以减小其整体尺寸，并减小其电源要求。这对网络的整体实际尺寸有正面的影响（设备不必太笨重即可提供足够的散热），并有助于降低数据中心的功耗。
降低硬件复杂性还可以降低制造过程的故障率，因此而简化生产。
缺点是您需要在硬件中嵌入很多功能，一旦出现了新的技术或规范，任何没有采用该技术的芯片都将无法支持它（例如VXLAN）。
对于网络设备，这非常理想。总体而言，网络行业发展缓慢，需要花费大量时间才能将新技术推向市场（如IPv6，MPLS的实施，xDSL可用性等）。这意味着芯片不需要每年进行开发，而可以在更慢的周期内创造出更大的技术进步。例如，博通（Broadcom）从“战斧3（Tomahawk 3）”到“战斧4（Tomahawk 4）”花费了两年的时间，但在此过程中，它们的吞吐量增加了一倍。前面列出的好处对于网络设备也常有帮助，因为它们以较小的尺寸允许相当大的吞吐量。
构建ASIC
与任何类型的芯片一样，构建ASIC是一个长期的过程。与CPU一样，如果硬件设计存在缺陷，则必须从头开始，并报废整个构建线。因此，开发生命周期非常长。它以FPGA（Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列）中的原型设计开始，在该设计中，芯片设计人员可以编写他们所需的功能并确认兼容性。所有这些都是通过HDL（Hardware Description Language硬件描述语言），例如Verilog，完成的。
原型制作阶段结束后，他们开始将新的数据包处理管道烘焙到铸造厂的芯片中。此后，就不能再对芯片进行任何更改了，因为它实际上已经“烧录”到了硬件中（不同于可以重新编程的FPGA）。由于很少有硬件公司会批量购买ASIC来构建设备，这进一步增加了困难。因此，每单位的成本会急剧增加。
所有这些都意味着ASIC的迭代周期趋向于放慢脚步（例如，与Intel Process-Architecture-Optimization模型中的每年都进行的更新相比），并且通常是较小的增量更新：例如，端口速度的增加是递增的（1G10G25G40G100G400G800G...），并且与芯片的SerDes（Serialiser / Deserialiser 序列化器/解串器）部分的升级捆绑在一起。
新协议的支持要困难得多，在将其加载在芯片上之前可能需要多个开发周期。
ASIC做什么
我们网络设备中的ASIC负责数据包的交换和路由，并且是第一道防线（以无状态防火墙的形式）。由于如何快速交换数据包具有绝对的本质，因此快速的内存访问是主要问题。大多数ASIC将使用一种特殊的存储器，称为TCAM（三重内容可寻址存储器）。该内存将用于存储各种查找表。这些可能是转发表（此数据包的去向），ACL表（访问控制列表，允许此数据包访问）或CoS表（服务等级表，可以为特定的数据包赋予优先级）。