網路營運商不斷加大對存取網路進行升級，以提高寬頻服務品質。不但促進供應鏈的創新，更滿足網路持續發展所需的頻寬、可靠性及靈活性。目前的通訊存取等需要創新的市場趨向採用能夠加速產品上市同時又能適應需求變化的價值技術。首次推出的多重服務存取節點(MSAN)設備優先選用了現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)。
寬頻存取網路從銅纜基礎設施不斷發展到光纖和銅纜混合網路。世界各地採用了不同的技術，例如非對稱式數位用戶迴路ADSL、超高速數位用戶迴路(VDSL)、纜線、乙太被動光纖網路(EPON)、寬頻PON(BPON)和Gigabit PON(GPON)等，並透過開發來支援越來越高的資料速率，以滿足不同的地區需求。
圖1重點介紹了各種寬頻技術的地區分布。Infonetics預測，到2010年，一半以上的有線電視寬頻用戶將位於北美，這是因為該地區有線電視業務有較高的普及率。北美和亞太地區的PON用戶也會迅速增長，到2010年，年複合成長率將達到150%，中國大陸和北美將發展GPON技術，而日本主要採用EPON。儘管歐洲地區採用了各種寬頻存取技術，但大部分寬頻用戶仍會繼續使用DSL。
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| 圖1 2010年全球寬頻用戶地理分布比例 |
若基於這些不同技術標準組織如DSL論壇所制定的目標規格，是希望建立一個不確定的存取網路架構，其本質上具有品質、靈活性、彈性和通用性，以便透過多種商業模式來提供服務。然而，新興的網路則需要能夠針對特定應用單獨進行配置的存取平台。
多重服務存取節點嶄露頭角
2004年，英國電信(BT)首先宣布啟動名為21世紀網路(21CN)的網路發展規畫，宣稱以目前還無法實現的方式，使用戶能夠靈活地進行控制和選擇；同時以更快的速度為客戶開發比以前更令人激賞的新服務；並預計到2008年和2009年，每年降低的成本以及節省的資金將超過20億美元。
為實現這些目標，21CN架構定義了存取節點，它能在公共平台上實現語音、網際網路通訊協定(IP)、乙太網路和固定線路服務。透過MSAN，BT減少了網路單元數量，支援從固網到靈活的IP網路的演進。隨著世界各地營運商加大基礎設施的投入來提供新服務，這種MSAN架構將繼續發展，以滿足更多的技術要求。
設備生產廠商面臨挑戰
根據Light Reading Insider預測，2011年GPON設備市場將達到47億美元。Infonetics預測，2009年DSL和多重服務存取平台市場將超過6億美元。雖然市場前景良好，但存取設備生產廠商仍遭受諸多挑戰。包括：加速產品上市；降低開發成本，保護工程投資；適應多變的網路需求並滿足今後的更新需求；除此之外，同時還要考慮降低成本、功耗及風險等較難達成的目標。
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在北美採用的GPON等新興市場領域，能否率先推出可行的解決方案將是成功和失敗的關鍵。北美地區電信供應商面臨來自有線電視營運商的嚴峻威脅，迫切須要加速產品上市。為存取等大批量市場提供可行方案之後，更重要的是降低解決方案的成本和功率消耗。 |
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過去10年中，OEM開發產品的方法有很大變化。例如，通訊設備生產廠商不斷加強並重新部署在勞動力成本較低地區的工程投資。在開發新技術時，控制開支主要集中在降低整體擁有成本(TCO)上。在多種應用或平台上重複使用某種公共框架、方法或者模組，可以降低晶片投入的整體擁有成本。 |
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在選擇供應商時，了解半導體市場的業務動態有助於原始設備製造商(OEM)進行適當的風險分析。隨著時間的推移，使用乙太網路乘法累加器(MAC)晶片組、記憶體、通用處理器或者FPGA等應用廣泛的半導體元件能一直得到在這些技術上的投資回報。隨著在65奈米和45奈米等新製程上開發新產品的成本不斷攀升，針對特定應用的元件很有可能會退出市場。例如表1中網路處理器晶片供應商的發展狀況說明了選擇專用元件所面臨的風險。
| 表1 NPU供應商不斷退出市場 |
| 2003年高階網路處理器供應商 |
2007年高階網路處理器供應商 |
| Agere |
Agere
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| AMCC |
AMCC |
| Bay Micro |
Bay Micro |
| EZ Chip |
EZ Chip |
| Greenfield |
Greenfield |
| IBM |
IBM |
| Intel |
Intel |
| Motorola |
Motorola |
| Procket |
Procket |
| Raza |
Raza |
| Xelerated |
Xelerated |
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Cavium |
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傳統的存取設備為家庭提供的「啞巴」介面足以提供純資料服務。這類設備已經發展到能夠支援乙太網路和IP處理，導致出現了在存取設備中到底應該嵌入多少智慧功能的爭論。存取裝置中加入更智慧的功能後，供應商最終避免了在存取裝置旁邊放一個寬頻遠端存取伺服器(BRAS)裝置等其他設備。所開發的系統支援中心式或分散式處理，如圖2和圖3所示。在分散式架構中，用戶更容易進行資料封包處理，更迅速地回應頻道切換等功能。中心式架構則在中心交換介面卡上完成高階資料封包處理功能。
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| 圖2 分散式GPON OLT應用的典型結構圖 |
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| 圖3 中心式GPON OLT應用的典型結構圖 |
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視訊和點對點服務應用推動了寬頻存取技術的需求發展，例如10G PON和WDM PON等。此外，設備的連接埠密度也在不斷增加，從七十二到九十六個DSL埠，從四到八個PON埠等。這些發展趨勢會以不同的方式影響晶片技術和系統設計人員。資料通道已經跨過了10Gbit/s，記憶體介面成為驅動I/O數量、封裝大小以及功率消耗等問題的瓶頸。對於系統設計人員而言，設計的不斷發展如資料封包處理解決方案從1Gbit/s到2.5Gbit/s，到5Gbit/s、10Gbit/s，甚至40Gbit/s等，要求在每一性能節點採用新技術。網路處理器單元(NPU)等現成晶片技術的局限從根本上限制了架構和資源。為了有效地管理TCO，必須開發能夠支援從1Gbit/s到100Gbit/s的解決方案。 |
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什麼樣的技術才能支援如此寬的速率範圍，同時能有效地實現每一性能節點的設計，要回答此問題必須深入了解資料封包處理實例。由於性能的提高和通訊協定需求的增加，高效率的架構必須緊密地結合軟體和硬體處理功能。可以利用軟體處理的優勢，避免使用硬體編碼狀態機設計，而採用硬體加速器來最佳化模組以提高性能。透過平行處理來提高靈活性，同時處理多個任務。由多線程處理器等技術實現軟體平行處理，而透過模組多路個體化實現硬體平行工作。最佳技術還支援向未來晶片製程節點的過渡時，而不會影響設計的整體結構。 |
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資料封包處理方案可分成流水線和非流水線、單線程和多線程、完全軟體可編程以及純硬體等。每一固定資料封包處理架構都有一定的局限，不足以支援多種應用和需求。例如，支援通道綁定的DSL網路能夠實現較大的頻寬，但是須要訂製晶片，設備生產廠商需要在現成處理器旁邊增加其他元件來克服元件的缺點，但是能夠在現有可編程元件中加入訂製硬體，以便提高今後的靈活性，必須透過訂製才能實現某些特定應用的最佳解決方案，而且在今後應用中還能使用這些方案。 |
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MSAN設備生產廠商新的發展趨勢是在FPGA等可編程方案中利用可重用處理器和硬體引擎來構建訂製解決方案。系統規畫人員確定某一特定應用的最佳硬體和軟體構成比例。在可互換和可編程框架中建構這些元件後，可以輕鬆地改動和轉換設計，從而使設計能夠移植到今後的製程節點上，以更低的成本滿足更高的速率要求。 |
MSAN的最佳晶片技術
可編程晶片技術具有訂製解決方案的優點，同時又能夠加速產品及時上市。存取等大批量市場要求在傳統FPGA成本結構基礎上大大降低成本。從FPGA原型開發到結構化ASIC的過渡，使OEM能夠儘早採用新技術，而在產量提高後進一步降低成本。從原型開發到量產依靠一個晶片供應商，可以降低過渡期間的技術風險。
MSAN架構有各種功能要求，包括GPON媒體存取控制(MAC)、資料封包處理、流量管理和背板介面等。在下一代產品中，設計人員必須確定哪些模組最有可能出現變化，哪些模組有助於突出產品的競爭優勢。
FPGA業者提供可更新的高性能價格比建構模組以及靈活的FPGA解決方案。GPON和DSL線路卡的建構模組簡化了設計過程，提高性能價格比。針對三合一網路電視(IPTV)等某些發展應用的特殊需求而專門開發這些解決方案，如果設計目標是獲得20Gbit/s以上的資料速率和更高的整合度，採用高性能的Stratix系列FPGA以及低成本的HardCopy結構化ASIC的移植途徑是最有效的解決方案。對於低成本資料封包處理系統，如經濟型的Cyclone系列FPGA則是備受矚目的低功耗解決方案。如果Gigabit乙太網路背板須整合串列/解串列(SERDES)，則可採用具有收發器架構的Arria GX FPGA是在成本和性能上的最佳選擇(表2)。
| 表2 Altera Arria GX在收發器支援的主要規格 |
| 支援收發器通訊協定 |
PCI Express PIPE |
Gigabit Ethernet GIGE |
Serial Rapidl/O |
| 資料傳輸率 |
2.5Gbit/s |
1.25Gbit/s |
1.25Gbit/s |
2.5Gbit/s |
| 連結寬度 |
×1, ×4
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×1 |
×1 |
×1 |
| Channel Bonding |
×4 PIPE |
None |
None |
None |
| 可用參考時脈(MHz) |
100 |
62.5, 125 |
62.5, 78. 125, 125, 156.25 |
125, 156.25, 250, 312.5 |
由於需要多個元件才能實現MSAN基礎設施應用，因此也要透過多個供應商才能提供完整的解決方案。FPGA業者有可靠的輔助系統，其關鍵技術合作夥伴為MSAN市場提供的端到端解決方案來支援應用開發。從參考設計和矽智財(IP)內部核心到可編程元件，均可與合作夥伴一同提供完整的解決方案組合來支援不同的開發方法。無論是內部開發MSAN應用軟體還是購買現成的解決方案，FPGA的可編程平台在應用軟體、功能和資料速率上都具有設計更新能力，可以快速方便地在新一代設計中實現新功能，提高容量，滿足營運商的需求。
當進行內部開發時，可使用FPGA業者或第三方IP供應商提供的建構模組來開發專用IP，結合各種靈活的模組化功能模組來達到設計要求。在實施最終解決方案的同時還能保持所有權和控制權，以較小的設計投入來實現這一切，而且時間更短。
若是使用現成的解決方案，則只要定義專用規範，利用輔助系統合作夥伴獲得完整的全套解決方案，就可加快產品上市，降低開銷成本。
創新的存取市場需要靈活的架構，透過各種技術來實現新服務。設備生產廠商面臨加速產品上市以及適應功能變化的挑戰，同時還要降低成本和功率消耗。在存取市場上，關鍵是選擇合適的晶片技術以滿足目前和今後的需求。
(本文作者任職於Altera)