軟件定義互連入局芯片，開啟新賽道
2023-05-15 12:28:26 EETOP1. 萬物互聯時代，為何提出軟件定義互連？
隨著智能時代的到來，未來的信息系統更加看重人機交互的智能化、控制操作的自動化，未來的網絡將是一個智能網絡，必然是一個復雜性系統，在一個復雜非線性系統中的連接重要性更是大于節點的重要性。以人腦為例，人類的大腦有850億個神經元，卻有著100萬億個神經連接組成，2000年諾貝爾生理學得主埃德爾揭示了“記憶的本質是一系列神經連接關系的重組”，發達可塑的神經連接而非神經元才是智能的本質。 信息時代，實現信息數據存儲、傳輸、分析、計算以打造智能時代的關鍵必然是信息間的發達連接、多維連接、動態連接、可塑連接和高效連接，也就是說，智能時代對互連技術提出了三大要求： 1. 協議多樣、連接便達、安全可靠； 2. 連接豐富、隨需觸發、動態變化； 3. 支持跨層次、多樣化、動態可變。 當前大部分用于交換互連的芯片、設備、平臺以及網絡都呈現出剛性互連的特征，即芯片面向特定應用領域設計生產后，無論芯片的內部結構還是其組成的外部交換機，均呈現固定的功能特征而無法隨需轉換；此外還存在用戶編程性弱、融合組網能力差等缺點。 2009 年鄔江興院士團隊原創性提出軟件定義互連技術（Software Defined Interconnection，SDI），可有效打破現有網絡的剛性體系結構，實現物理層、數據鏈路層、網絡層及應用層的全維軟件可定義，將剛性網絡變為柔性網絡，解決效率低下、性能受損、實時性下降等突出問題，實現動態連接、高效組網，相比于現有支持固定協議、固定帶寬分配和固定交換結構的互連方式，軟件定義互連在硬件層面實現了互連協議、端口類型、拓撲結構、帶寬分配、互連模式等關鍵參數的軟件定義，可以支持不同協議、不同帶寬、不同互連模式的數據交互通信需求。 因此，軟件定義互連是一種面向網絡互連領域的軟件定義硬件技術，基于可重構和可編程技術，具有可擴展的硬件/軟件架構，允許應用程序對硬件進行在線定義，以動態更改交換互連的功能、性能，實現對不同應用場景的最佳適配。在產業角度，軟件定義互連技術為智能時代的新型數據中心、云計算等信息基礎設施提供高效扁平和靈活定義的互連，為自動駕駛、即時保密通信等情景網絡動態服務提供隨需而變的“柔性韌帶”，為物聯網時代大規模傳感節點的群體智能提供靈活定義的“隨需連接”。
（圖-SDI互聯生態）
2. 技術與產業并行，方能走向長遠 相較于2017年美國國防高級研究計劃局（DARPA）在電子復興計劃中支持的軟件定義硬件技術，鄔江興院士團隊提出的SDI技術促使我國在軟件定義硬件技術上提早布局了八年，帶領我國SDI產業發展保持國際領先地位。 十多年來，以鄔江興院士為核心的研發團隊潛心研究，攻堅克難，于2013年在全球首臺擬態計算機研制中驗證了軟件定義互連技術，證明了軟件定義互連是基于商用部件實現計算能效提升2個數量級以上的核心支撐。在復雜性系統中，CPU、DSP等處理部件性能的提升，只能為系統的智能化水平帶來“具有內部損益”的線性增益；而互連的靈活性、發達度和可塑性達到特定閾值，可實現復雜性系統的智能涌現。2019年，我國研制出世界首款軟件定義互連芯片，該器件可以實現異構協議的互連互通，在譜系簡化、系統集成、安全防御等方面具有天然的優勢，是系統連接不同功能部件的核心器件，解決了異構協議數據交換系統架構難題，大大降低了復雜系統產品的開發門檻，縮短了系統研制的開發時間。 技術布局上，隨著軟件定義互連自主技術成果走向市場，軟件定義互連技術也在國家、國防領域進一步得到重視。進入“十四五”以來，作為多模態網絡的核心技術基因，軟件定義互連芯片的相關研究與研制任務列入國家重點研發計劃“多模態網絡與通信”專項；作為軟件定義裝備生成模式的底座技術，軟件定義互連二代芯片列入重大工程，研制支持更多協議、更高速率、更大帶寬的芯片產品。 立足當下，展望未來，若要保持軟件定義互連技術穩步發展，帶動國內產業實現顛覆式升級演進，不只要在技術上實現“結構適配應用”，更要在實際發展上實現“科技適配產業”，為軟件定義互連技術規劃一條可持續發展之路。 軟件定義互連技術在實現上實行三步走戰略： 第一步實現軟件可定義的標準協議，首先支持當前主流的高速接口協議，包括RapidIO協議、FC協議、以太網協議、PCIe協議、TSN協議等，目前世界首款支持RapidIO、FC和以太網協議的軟件定義互連芯片SDI3210已經成功問世； 第二步是支持軟件可定義的專用協議，包含各種軍標協議和行業應用（如工控）協議等； 第三步是實現用戶可自由定義的互連協議。未來軟件定義互連技術的發展以遵循“先實現網絡升級、再實現終端滲透、最后搭建全新生態”為原則，著力從芯片突破為抓手，打造涵蓋芯片、設備、平臺、網絡、解決方案、標準的全新軟件定義互連生態，服務國家信息基礎設施的升級和國防電子信息裝備的升級換代。
（圖-軟件定義互連技術發展路線）
3. 從互連技術升華， 為科技強國開辟系統工程路線 為進一步探究系統級的智能涌現之路，基于軟件定義互連技術基礎，找到當前系統集成存在“逐級插損”的工程技術路線癥結，核心原因在于“芯片、模組、系統、集群”的逐級堆砌和PCB的“低密度、低帶寬、低能效”集成，能否找到一條類似于芯片內部資源擴展的“無插損”工程技術路線？基于目前人類工程科技最高連接密度和最佳經濟性的晶圓載體，鄔江興院士團隊提出了軟件定義晶上系統技術（Software Defined System on Wafer，SDSoW），找到了一條超高密度拼裝集成的“無插損”系統工程技術路線，同時天然融合體系結構的軟件定義與設計組裝的敏捷經濟，將體系結構的創新增益和集成電路的工藝增益連乘擴展到系統層面，可用落后一代乃至兩代的材料、裝備及工藝實現與一流工藝相媲美的系統功能、性能與效能，對解決我信息領域的當前“卡脖子”問題和實現“換道超車”創新引領都有重大意義。
