中國信息通信研究院融合創(chuàng)新研究中心 楊菠 賀鵬

北京欣奕華機器人科技有限公司 劉晏

隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的不斷深化融合應(yīng)用，世界將進入萬物互聯(lián)的時代，以網(wǎng)絡(luò)為基本載體的信息化、智能化蓬勃發(fā)展，成為人類社會生產(chǎn)活動和日常生活的基本形態(tài)，可以說，沒有網(wǎng)絡(luò)就沒有當今社會的發(fā)展和進步。隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，在帶來便利與效率的同時，如何確保網(wǎng)絡(luò)鏈接過程更安全、更可靠是一個繞不開的關(guān)鍵因素。

一、為何要研究自有網(wǎng)絡(luò)控制芯片

網(wǎng)絡(luò)控制器芯片是終端設(shè)備聯(lián)網(wǎng)所必備的核心部件，主要作用是連接網(wǎng)絡(luò)時，負責計算與存儲設(shè)備輸入輸出數(shù)據(jù)的控制與處理。網(wǎng)絡(luò)控制器芯片對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全起著至關(guān)重要的作用。如果說CPU是計算機設(shè)備的“指揮官”，網(wǎng)卡就是計算機設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)進出的“咽喉要道”，網(wǎng)絡(luò)控制器就是控制“咽喉要道”的“把門人”。如果“咽喉要道”的“把門人”不可信、不可控，在連接網(wǎng)絡(luò)時，會造成傳輸數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)傳輸密碼、身份證書被盜用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〝啾豢刂频默F(xiàn)實風險和極大隱患，整個計算機系統(tǒng)的安全將面臨重大威脅。歷史上發(fā)生的委內(nèi)瑞拉電力系統(tǒng)、伊朗核設(shè)施遭受網(wǎng)絡(luò)和病毒攻擊事件，無一例外證明了把好網(wǎng)絡(luò)入口關(guān)的極端重要性。

當前我們面臨的形勢是：從全球范圍看，世界上主流的網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)品都是國外廠商。從地區(qū)分布上看，美國廠商占據(jù)了絕對主導地位。在這種錯綜復雜、內(nèi)外風險因素疊加的大背景下，推進技術(shù)可靠、供應(yīng)穩(wěn)定的控網(wǎng)絡(luò)控制器芯片研發(fā)和應(yīng)用就顯得更有意義。

（一）保證供應(yīng)鏈的安全需要。我國以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)品的市場規(guī)模每年約為41.28億元。目前，我國信息設(shè)備中采用的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器芯片主要是Intel、Marvell等國外產(chǎn)品。作為核心部件的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器芯片仍受制于人，保證供應(yīng)鏈的安全需求迫在眉睫。

圖1 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器芯片主要供應(yīng)商

（二）防控安全風險的需要。如在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器中封裝后門電路或在網(wǎng)卡的存儲空間內(nèi)注入木馬或后門程序的技術(shù)實現(xiàn)并不復雜，且很難被識別和發(fā)現(xiàn)。使用這樣的產(chǎn)品會造成對外通信數(shù)據(jù)被竊取、被篡改、被阻斷的潛在風險。

（三）提高網(wǎng)絡(luò)安全等級的需要。利用國產(chǎn)網(wǎng)卡內(nèi)置的國密算法可實現(xiàn)報文加密、可信接入等安全應(yīng)用，為進一步提升信創(chuàng)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)安全等級提供可靠支撐。

二、國外的研究和產(chǎn)業(yè)進展

圖2 網(wǎng)卡控制器發(fā)展趨勢

（一）全球以太網(wǎng)帶寬在過去幾年保持30%的復合增長率，以太網(wǎng)控制器也保持在雙位數(shù)的增長。隨著未來5G，人工智能，IOT等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制器市場會以更快的速度增長。國外在以太網(wǎng)領(lǐng)域處于絕對領(lǐng)導地位，其中萬兆已經(jīng)實現(xiàn)了相對普及，主流是25G、100G，相關(guān)200G產(chǎn)品已經(jīng)進入逐步批量應(yīng)用階段。

（二）千兆以太網(wǎng)芯片市場會不斷萎縮，但是在相當長時間內(nèi)不會被淘汰。隨著自動駕駛的興起，以太網(wǎng)在汽車行業(yè)內(nèi)會被廣泛采用，目前，千兆以太網(wǎng)是最主流的協(xié)議。

（三）萬兆網(wǎng)卡在國內(nèi)市場占有率仍然是主流，25/100G的占有率也在迅速提升?；ヂ?lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)基本切換到25G，金融、電信行業(yè)在未來5到10年年也會逐漸向25G切換。但是，電子政務(wù)、能源、醫(yī)療、教育等傳統(tǒng)行業(yè)還是以萬兆和千兆為主，這些替換的市場還很大。

（四）25/100G是未來發(fā)展的趨勢，預(yù)計2022年下半年，我國的電信和云計算領(lǐng)域開始逐步會向100G啟動切換。

三、國內(nèi)產(chǎn)品的特色

客觀地講，國內(nèi)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)品相較國外產(chǎn)品，目前仍處于跟隨階段，還沒有實現(xiàn)技術(shù)超越，短期內(nèi)也不會出現(xiàn)彎道超車的可能性。主要原因是，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器的研發(fā)是個系統(tǒng)工程。國內(nèi)發(fā)展水平和國外相比，從IP、前后端設(shè)計、流片測試生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)都還有一定差距，技術(shù)積累和行業(yè)標準方面還需要進一步強化。同時，結(jié)合我國社會和行業(yè)需求方面，國產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制器依然有其鮮明的中國特色。

（一）定制化服務(wù)優(yōu)勢更明顯；國內(nèi)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器芯片產(chǎn)品更加適應(yīng)中國的行業(yè)應(yīng)用場景，可提供更為多樣的定制化的固件、驅(qū)動支持，滿足不同應(yīng)用場景下的客戶需要，這種費時費力的工作，國外大的品牌是不可能做到的。

（二）本地化服務(wù)更加高效；國內(nèi)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器芯片產(chǎn)品能更快的響應(yīng)用戶的支持需求，提供更為靈活的本地化服務(wù)，整體服務(wù)效率更為高效。

（三）在部分產(chǎn)品指標方面較國外產(chǎn)品有一定優(yōu)勢；以國內(nèi)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器芯片頭部企業(yè)北京網(wǎng)迅科技為例，其推出的千兆和萬兆產(chǎn)品與同類國外產(chǎn)品沒有任何代差，在功耗、時延特性、封裝尺寸等方面均優(yōu)于國外產(chǎn)品，特別是結(jié)合國內(nèi)對商密的要求，植入了GM2/3/4算法引擎，提升了加解密效率。

（四）更快的響應(yīng)國內(nèi)市場需求；在2021年開始的全球芯片荒的大背景下，本土企業(yè)的產(chǎn)品在一定程度上緩解了國內(nèi)對于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器的產(chǎn)品供應(yīng)缺口，更快更好地響應(yīng)了用戶需求，促進了行業(yè)的良性發(fā)展。

四、當前行業(yè)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和存在的問題

（一）國產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)業(yè)鏈已在悄然發(fā)生多層迭代的轉(zhuǎn)變，從單一網(wǎng)絡(luò)傳輸能力向多功能智能網(wǎng)卡的升躍。主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）傳統(tǒng)以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈在向SMART NIC、DPU等智能化方向發(fā)展。以太網(wǎng)絡(luò)從1973年的2.94Mb/s實驗室產(chǎn)生，到1979年DEC-Intel-Xerox(DIX80)共同提出發(fā)布10Mb/s以太網(wǎng)標準，當今已發(fā)展到IEEE802.3ae 10Gb/s的快速以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用，以及未來IEEE802.3bs 200/400Gb/s的云中心高速互聯(lián)階段。網(wǎng)路連接呈現(xiàn)從局域網(wǎng)到城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)互聯(lián)互通的復雜網(wǎng)絡(luò)鏈接模式，以太網(wǎng)絡(luò)控制器一直在網(wǎng)絡(luò)傳輸和安全傳輸?shù)阮I(lǐng)域扮演非常關(guān)鍵的角色，復雜的網(wǎng)絡(luò)鏈接模式使本地CPU處理器難以處理來自其網(wǎng)絡(luò)的海量數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件卸載部分CPU計算功能的設(shè)計理念一直在推動傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)業(yè)鏈上游的技術(shù)革新，不斷向SMART NIC智能網(wǎng)絡(luò)控制器、DPU數(shù)據(jù)處理單元方向發(fā)展。目前，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、傳輸硬件和底層網(wǎng)卡等部件，多為國際通用協(xié)議和產(chǎn)品，其通用的協(xié)議、接口、驅(qū)動配置等網(wǎng)絡(luò)機理和開放OS環(huán)境均有可能隱藏著未知的后門和攻擊的缺陷。

（2）“以太網(wǎng)絡(luò)控制器+安全保密”的安全網(wǎng)絡(luò)控制器芯片產(chǎn)業(yè)鏈正在興起。目前，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備常用的多是由計算機CPU或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)處理器DSP組成計算機架構(gòu)，對接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行認證加密。這是將網(wǎng)絡(luò)安全邊界設(shè)置在了計算機核心的CPU或DSP上，從而，存在較大的非法數(shù)據(jù)入侵隱患。在計算機網(wǎng)絡(luò)接口控制器芯片中實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)安全認證和加密，將網(wǎng)絡(luò)安全邊界擴展到計算機網(wǎng)絡(luò)接口處，并依據(jù)接口身份和運行狀態(tài)的變化，實施認證與加密，并可自主調(diào)整控制策略，有利于最大化地確保網(wǎng)絡(luò)安全性。目前，基于智能網(wǎng)卡的協(xié)議卸載技術(shù)、虛擬化技術(shù)、流截取控制技術(shù)等，結(jié)合密碼認證等技術(shù)，形成獨立網(wǎng)絡(luò)安全控制器芯片產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈在悄然形成。例如網(wǎng)迅科技的專用WX1860AL千兆系列芯片，其通過定制可實現(xiàn)千兆線速的認證和加密等功能。

（二）國產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制器芯片宏觀需求激增。

根據(jù)國家“十三五”、“十四五”戰(zhàn)略規(guī)劃和《中國制造2025》等國家戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃資料顯示，以及國外知名咨詢公司的分析數(shù)據(jù)可以看出：一是2020年全球芯片需求為2萬億以上規(guī)模，全球服務(wù)器的2019-2024年復合增長率CAGR約為6.5%，國內(nèi)集成電路的市場需求2016-2020年增長17%左右。 二是國產(chǎn)化芯片的可替代空間巨大，可替代空間至2025年國產(chǎn)芯片自給率需達到70%左右。三是國家大力推行集成電路設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略，IC設(shè)計產(chǎn)業(yè)已迎來了絕佳時機，其中集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)2020年度的銷售規(guī)模達到3500億元規(guī)模。受整體需求增長的支撐，以太網(wǎng)的整體需求將會保持持續(xù)增長態(tài)勢，據(jù)Crehan Research Inc著名格雷漢研究中心的資料數(shù)據(jù)顯示：一是整個以太網(wǎng)帶寬在過去幾年保持30%的復合增長率，以太網(wǎng)控制器也保持在雙位數(shù)的增長。隨著未來5G、人工智能、IOT等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制器市場會以更快的速度增長。二是千兆以太網(wǎng)芯片市場會不斷縮小，可以維系在相當長時間內(nèi)。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的興起，千兆工業(yè)以太網(wǎng)是最主流的協(xié)議。三是萬兆網(wǎng)卡目前在國內(nèi)市場占有率仍然是主流，占有普通PC和服務(wù)器的90%以上的領(lǐng)域。電子政務(wù)、能源、醫(yī)療、教育等傳統(tǒng)行業(yè)還是以萬兆和千兆為主。隨著云數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用到來，50/100/200G網(wǎng)絡(luò)接口在服務(wù)器互聯(lián)的占有率也在迅速提升。當前，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)基本切換到50/100G以上，金融、電信行業(yè)在未來1-2年也會逐漸向25/50/100G切換。

（三）當前存在的主要發(fā)展問題

（1）體系標準制定受制于人，仍處于完全的從屬地位。

由于國外起步早，處于市場的絕對壟斷地位，因此，當前業(yè)內(nèi)使用的IEEE802.3以太網(wǎng)的協(xié)議族是由國外主流廠商主導完成的，2016年，國外廠商組成的聯(lián)盟又形成了25G以太網(wǎng)802.3by標準，其規(guī)范了MAC/PHY層及管理參數(shù)等，有望成為下一代高速標準的基礎(chǔ)。我國在這些重要的行業(yè)體系標準中參與度極低，整體話語權(quán)不夠，仍處于從屬地位。

（2）網(wǎng)絡(luò)控制器芯片涉及的PHY的IP核，仍被國外壟斷。

目前網(wǎng)絡(luò)控制器芯片中集成的PHY的IP核，主要來自于國外，對于高端的PHY IP獲取渠道極少。目前，國內(nèi)仍沒有能夠穩(wěn)定應(yīng)用的自主PHY IP核，造成了再這方面卡脖子的問題。

（3）國產(chǎn)自研的網(wǎng)絡(luò)芯片產(chǎn)品還相對單一，與市場需求還有一定差距。在高性能和智能領(lǐng)域，國外的Mellanox最新的高端智能網(wǎng)絡(luò)控制器ConnectX-6系列芯片已能夠支持200G。近年來，雖然華為研制了Hi182X系列100G/25G芯片。但僅供自用，且近一個時期受制于外界因素影響，華為的整體供貨能力已受到嚴重打擊。低端芯片領(lǐng)域，Realtek的RTL8111千兆系列，因功能簡單，正常年份的產(chǎn)品報價約為十幾元人民幣左右，和當前國產(chǎn)自研芯片價格方面存在明顯成本優(yōu)勢。目前國產(chǎn)主流的網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)品系列還很單一，北京網(wǎng)迅的1G/10G芯片，主要用在政府和企業(yè)級國產(chǎn)化平臺，民用領(lǐng)域的低端1G的芯片鮮有面市。國產(chǎn)芯片市場分額占比極少，仍處于明顯的市場從屬地位。

（四）舉措建議

一是大力推進網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)品生態(tài)鏈市場的精細化管理。加強傳統(tǒng)1G10G設(shè)備的國產(chǎn)化應(yīng)用的推進。職能部門應(yīng)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全法、密碼法和等級保護、關(guān)基保護條例等政策，進一步引導拓寬使用領(lǐng)域的覆蓋面。精細化管理國產(chǎn)化目錄等政策，加大國產(chǎn)平臺測試、檢測和評估等標準的投入力度，加快促進市場應(yīng)用步伐。走“國際標準協(xié)議”+“特色專用”的拓展之路，“網(wǎng)絡(luò)控制器芯片”+“安全”、“SMART NIC芯片+安全”、“DPU芯片+安全”等模式的相結(jié)合，形成國有自有知識產(chǎn)權(quán)和標準規(guī)范的芯片體系。

二是加大高端智能網(wǎng)絡(luò)芯片SMART NIC和安全芯片的孵化發(fā)展，加大高端智能網(wǎng)絡(luò)安全芯片的研發(fā)推進力度。首先，應(yīng)抓緊25/100/200G以上高端網(wǎng)絡(luò)芯片的研制和孵化，在滿足功能性能的同時，實現(xiàn)國密算法的認證和加密等功能需求。國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心高端網(wǎng)絡(luò)芯片的自研化需求，是未來國產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制器的主要技術(shù)發(fā)展方向。其次，要進一步規(guī)劃未來DPU數(shù)據(jù)處理單元技術(shù)及芯片的研制方向，不斷挖掘滿足數(shù)據(jù)中心的發(fā)展需求，設(shè)計實現(xiàn)集成網(wǎng)絡(luò)、AI、加解密和存儲為一體的SoC及上層生態(tài)，不斷推進和趕超國際前沿的網(wǎng)絡(luò)控制器技術(shù)的發(fā)展。

三是統(tǒng)籌做好產(chǎn)業(yè)鏈上下游整合。首先是大力推進芯片的上下游適配測試，這是國產(chǎn)化芯片最薄弱的環(huán)節(jié)，需要從應(yīng)用層面和產(chǎn)業(yè)鏈整合的角度來認識和強力配合。其次，要充分發(fā)揮安全保密、網(wǎng)絡(luò)攻防以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵領(lǐng)域體現(xiàn)職能部門的指導作用和引領(lǐng)作用，在信息應(yīng)用于技術(shù)創(chuàng)新、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、以及大數(shù)據(jù)安全的網(wǎng)絡(luò)信息化領(lǐng)域，重點推進加強全領(lǐng)域芯片產(chǎn)業(yè)鏈以及人才市場的孵化。

四是要精細化扶植產(chǎn)業(yè)發(fā)展，降低自有產(chǎn)品市場的準入條件，分層細化推動面向自有的市場培育。

首先，要推動產(chǎn)品標準設(shè)計和國產(chǎn)化創(chuàng)新性的結(jié)合，進一步細化芯片產(chǎn)品的目錄測試的分類管理和精細化檢測力度。其次，細化檢測門檻，多方制定產(chǎn)品檢測標準，不搞粗線條的一刀切，營造多類型精細化的產(chǎn)品的供需市場分層。再次，是做好重點行業(yè)和重點領(lǐng)域?qū)τ诰W(wǎng)絡(luò)控制器芯片的應(yīng)用推廣力度，在引入市場競爭的前提下，有針對性的培育優(yōu)秀的研發(fā)企業(yè)，保證研發(fā)投入和市場培育兩手抓，建立起研發(fā)、應(yīng)用、市場選擇、高質(zhì)量研發(fā)的良性產(chǎn)業(yè)發(fā)展機制，不斷提升企業(yè)的發(fā)展后勁。