Соответственно, данную архитектуру уже не стоит применять при проектировании систем следующего поколения.

Многие разработчики пошли по пути дополнения или даже полной замены RISC-процессоров заказными специализированными микросхемами (Application Speciifc Integrated Circuit — ASIC). Эти интегральные схемы, настроенные на выполнение каких-либо конкретных приложений, могут объединять в себе функции целого набора чипов. Они занимают меньше места, чем такие наборы, и обладают большим быстродействием, причем изготовление и поддержка устройств на базе ASIC обходится дешевле, а их производительность повышается.

В настоящее время технологии разработки и изготовления заказных микросхем продвинулись настолько, что стало целесообразным переносить на них многие задачи, традиционно реализовавшиеся программным путем. Чипы ASIC позволяют разработчикам использовать богатые возможности непрерывно совершенствующейся полупроводниковой индустрии для создания устройств, предназначенных для выполнения специальных функций, например маршрутизации.

Благодаря постоянному снижению проектных норм за последние годы значительно улучшились такие характеристики микросхем ASIC, как плотность размещения логических элементов (вентилей) и быстродействие. Новейшая технология 0,25 мк дает возможность располагать на одном кристалле более 5 млн вентилей, работающих с частотой 150 МГц. Десять лет назад проектные нормы в 1,5 мк обеспечивали создание чипов с тактовой частотой 25 МГц и плотностью размещения от 10 до 20 тыс. элементов. Пять лет назад с помощью 0,6-микронной технологии выпускались микросхемы с быстродействием 66 МГц и числом вентилей от 75 до 100 тыс.

Отдельные логические элементы комбинируются различными способами, при этом функциональные возможности чипа ASIC определяются матрицей вентилей и их общим количеством. По прогнозам специалистов, к 2005 г. число элементов в чипах, используемых в компьютерных системах, может достичь 10 млн, а оборот индустрии заказных микросхем составит около 8 млрд долл.

Производители оборудования сами решают, будут ли настроены на конкретную задачу все элементы схемы или только их часть и какие логические функции они будут выполнять. Поставщики микросхем ASIC, такие как компания IBM, предлагают библиотеки их базовых конфигураций, из которых заказчики могут выбирать нужные варианты. В прошлом эти чипы чаще всего использовались в системных компонентах, например в запоминающих устройствах, однако сейчас сфера их применения расширяется и многие производители включают в них более сложные логические структуры (так называемые узлы ключевой логики), реализующие функции интерфейса Gigabit Ethernet, поддержку контроллеров PCI и другие приложения.

Развитие данной технологии позволяет переносить на аппаратный уровень все больше задач, за счет чего сокращается число затрачиваемых процессорных циклов, повышаются быстродействие и функциональные возможности устройств. По сравнению с программной реализацией, выполнение тех же функций с помощью ASIC может дать почти трехкратный выигрыш в производительности.

Однако чисто аппаратная реализация маршрутизатора может оказаться не лучшей с точки зрения гибкости и даже рискованной, поскольку в отдельных областях процесс разработки стандартов еще не завершился (особенно это относится к пограничным устройствам глобальных сетей). Все еще продолжают совершенстваться механизмы обеспечения качества услуг (QoS), появляются новые протоколы, например Multiprotocol Label Switching и Layer 2 Tunnel Protocol, предлагаются новые схемы инкапсуляции IP-пакетов. Поэтому следует немного подождать с переводом всего множества функций обработки кадров на микросхемы ASIC.

Более правильный подход — найти оптимальное сочетание технологий RISC и ASIC, что позволит объединить в одной системе гибкие возможности RISC-процессора и высокие быстродействие и плотность элементов, а также экономичность заказных микросхем. Вполне оправданной является аппаратная реализация таких общих задач маршрутизации, как управление буфером и очередями, планирование уровней QoS, поиск адресов и классификация потоков. На RISC-процессоры можно возложить менее «устоявшиеся» функции, требующие более гибкого подхода, например обработку заголовков пакетов (разбор и модификацию заголовков второго и третьего уровней), управление качеством услуг, сбор статистики и др.

Принимая решение, сколько функций обработки заголовков пакетов будет реализовано аппаратно, а сколько с помощью микропрограмм, выполняемых RISC-процессором, придется пойти на определенные компромиссы. В конечном счете оптимальное соотношение определяется тем сегментом рынка, на который ориентируется разработчик данного коммутатора или маршрутизатора. Чисто программная реализация обеспечивает гибкость, но не дает адекватной производительности, особенно когда дело касается поддержки столь сложных функций, как управление качеством услуг. Аппаратное исполнение с применением микросхем ASIC гарантирует очень высокую пропускную способность, однако страдает отсутствием гибкости, столь важной для пограничных устройств.

ОБ АВТОРАХ

Крис Лоулер (Chris Lawler) и Курт Мелден (Kurt Melden) — учредители недавно созданной компании Redstone Communications, специализирующейся на разработке оборудования для сетей с коммутацией пакетов. С ними можно связаться по адресам clawler@redstone.сom и kmelden@redstone.com.

Коротко об ASIC

Микросхемы ASIC представляют собой наборы логических элементов и элементов памяти, расположенных на одном кристалле. Их можно настроить на выполнение самых разных задач — от управления автомобилем до видеоигр. Применение заказных специализированных микросхем позволяет увеличить производительность и снизить стоимость разрабатываемых систем.

(1) Клиент (частное лицо или компания) предоставляет изготовителю составленное на стандартном языке описание заказываемой микросхемы ASIC.

(2) С помощью инструментальных средств изготовитель проектирует логические ячейки (Netlists), определяющие выполняемые микросхемой функции, и задает способ их взаимодействия друг с другом. Ячейки размещаются на кристалле кремния.

(3) Добавляются связи между ячейками.

(4) Полученная микросхема тестируется для определения ее работоспособности и быстродействия.