一文解析交換機(jī)行業(yè)5大技術(shù)趨勢(shì)

本文來源“交換機(jī)專題：數(shù)字經(jīng)濟(jì)底座核心網(wǎng)元，受益AI加速發(fā)展”,詳細(xì)介紹了交換機(jī)行業(yè)5大技術(shù)趨勢(shì)。

交換機(jī)是新一代基礎(chǔ)設(shè)施重要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心、園區(qū)、工業(yè)等領(lǐng)域，行業(yè)正受益政企加速數(shù)字產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型，互聯(lián)網(wǎng)大廠加大智算投入、運(yùn)營(yíng)商加大算力資本開支。根據(jù)我們預(yù)測(cè)，在AI大模型下A100和H100拉動(dòng)交換機(jī)增量彈性分別為19%和10%。

2022年我國(guó)商用交換機(jī)市場(chǎng)規(guī)模超510億元，頭部廠商是華為、新華三、銳捷網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2022年交換機(jī)全球市場(chǎng)規(guī)模超3000億元；我國(guó)市場(chǎng)規(guī)模超510億元。

從競(jìng)爭(zhēng)格局看，2022年我國(guó)交換機(jī)廠商市占率前三分別為華為（36%）、新華三（32%）、銳捷網(wǎng)絡(luò)（15%）。新華三與華為在數(shù)據(jù)中心、企業(yè)網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)商市場(chǎng)均有較大優(yōu)勢(shì)，且高端產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)；銳捷網(wǎng)絡(luò)在中小企業(yè)客戶優(yōu)勢(shì)明顯，近些年大力發(fā)展運(yùn)營(yíng)商和中小型企業(yè)市場(chǎng)，是較早布局白盒交換機(jī)的企業(yè)。

在AI催化下，短期看英偉達(dá)AI方案帶動(dòng)IB交換機(jī)需求提升，長(zhǎng)期看IB和以太網(wǎng)交換機(jī)方案共存。英偉達(dá)作為AI領(lǐng)域主流廠商，其推廣的IB交換機(jī)（子公司Mellanox為IB交換機(jī)領(lǐng)先廠商）有望帶動(dòng)IB需求提升；同時(shí)，英偉達(dá)也推出了以太網(wǎng)交換機(jī)方案，思科、博通等近期發(fā)布高速率以太網(wǎng)方案應(yīng)對(duì)AI需求，成為IB的另一種網(wǎng)絡(luò)方案。我國(guó)廠商華為、新華三近期也發(fā)布了支持800G的數(shù)據(jù)中心交換機(jī)新品，以面對(duì)AI智算需求發(fā)展。

一、交換機(jī)行業(yè)概述

交換機(jī)作為各種類型網(wǎng)絡(luò)終端互聯(lián)互通的關(guān)鍵設(shè)備，下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。根據(jù)應(yīng)用不同場(chǎng)景不同可分為：

??園區(qū)企業(yè)交換機(jī)作為連接個(gè)人、家庭與社會(huì)關(guān)系的紐帶，橫跨教育、醫(yī)療、金融等多個(gè)行業(yè)，對(duì)核心設(shè)備的超寬、融合能力提出更高訴求。

??數(shù)據(jù)中心交換機(jī)主要用于支持?jǐn)?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，支持較為豐富的數(shù)據(jù)中心特性。

??工業(yè)交換機(jī)針對(duì)工業(yè)應(yīng)用需求提供組網(wǎng)設(shè)備，要求耐高低溫能力強(qiáng)、抗干擾能力更強(qiáng)、更高的可靠性穩(wěn)定性安全性等，其廣泛運(yùn)用至工業(yè)控制、制造業(yè)、能源電力、智慧交通等領(lǐng)域。

我國(guó)交換機(jī)2022年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到510億元，其中數(shù)據(jù)中心交換機(jī)占比48%，非數(shù)據(jù)中心交換機(jī)占比52%。

二、交換機(jī)行業(yè)技術(shù)趨勢(shì)

技術(shù)趨勢(shì)一：無損數(shù)據(jù)中心解決方案驅(qū)動(dòng)高速率交換機(jī)發(fā)展

RDMA(Remote Direct Memory Access)技術(shù)為了解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理的延遲而產(chǎn)生的技術(shù)。傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧處理時(shí)延大，服務(wù)器CPU負(fù)載居高不下，RDMA可以將用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)直接傳入服務(wù)器存儲(chǔ)區(qū)，解決時(shí)延問題。RDMA網(wǎng)絡(luò)目前應(yīng)用比較廣泛的是InfiniBand（英偉達(dá)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)核心技術(shù)）和RoCE (RDMA over Converged Ethernet)。

華為、新華三、銳捷網(wǎng)絡(luò)等頭部廠商基于RDMA技術(shù)發(fā)布無損數(shù)據(jù)中心解決方案。新華三發(fā)布SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案，基于云邊AI協(xié)同架構(gòu)，借助AI智能學(xué)習(xí)為不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景構(gòu)建智能無損控制模型，可提供大帶寬、低時(shí)延、零丟包的精確轉(zhuǎn)發(fā)和可確定性網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

華為AI Fabric基于開放以太網(wǎng)，通過獨(dú)特的AI芯片和算法，使以太網(wǎng)絡(luò)同時(shí)滿足低成本，0丟包和低時(shí)延要求。核心交換機(jī)CloudEngine16800內(nèi)嵌AI芯片，提供8TFlops的計(jì)算能力。

英偉達(dá)不斷迭代IB交換機(jī)以及NVLink技術(shù)，以支持更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。H100 GPU使用第四代NVLink技術(shù)，每一個(gè)lane具有112Gbps帶寬，比PCIe Gen5一個(gè)lane帶寬高出3倍，H100 GPU使用Quantum QM9700 InfiniBand交換機(jī)，該交換機(jī)支持速率400G英偉達(dá)同時(shí)更新Spectrum系列（支持以太網(wǎng)協(xié)議），以支持橫向擴(kuò)展的AI服務(wù)。英偉達(dá)CEO在宣布GH200的同時(shí)還發(fā)布了Nvidia Spectrum-X(一種新型以太網(wǎng)交換機(jī))，是世界上第一個(gè)專門為AI網(wǎng)絡(luò)建立的51Tb/sec以太網(wǎng)交換機(jī)。

華為不斷迭代CloudEngine系列數(shù)據(jù)中心交換機(jī)助力客戶加速智能化轉(zhuǎn)型。華為于今年4月發(fā)布了首款800GE數(shù)據(jù)中心核心交換機(jī)——CloudEngine 16800-X系列。loudEngine 16800-X 系列實(shí)現(xiàn)了超融合承載，總運(yùn)營(yíng)成本降低 36%；超加速網(wǎng)絡(luò)，全場(chǎng)景應(yīng)用性能提升 20%；超強(qiáng)悍性能，800GE ready 面向未來十年平滑升級(jí)。

新華三在6月9日領(lǐng)航者大會(huì)上推出新產(chǎn)品是智算網(wǎng)絡(luò)“利器”——全球首發(fā)51.2T 800G硅光數(shù)據(jù)中心交換機(jī)。在AIGC時(shí)代的大規(guī)模集群運(yùn)算背景下，需要萬臺(tái)服務(wù)器之間的海量數(shù)據(jù)交換、億萬計(jì)算并行，如何最大限度降低時(shí)延和能耗滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速思考需求，考驗(yàn)著網(wǎng)絡(luò)鏈接的能力和智慧。新華三新一代800G CPO硅光數(shù)據(jù)中心交換機(jī)，采用無阻塞網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

??一是具備“高吞吐”性能，可滿足單個(gè)AIGC集群3.2萬GPU的容量，是400G交換機(jī)的8倍。原來訓(xùn)練一個(gè)大模型需要800臺(tái)交換機(jī)，現(xiàn)在僅需100臺(tái)。

??二是單端口的傳輸時(shí)延再降低20%，AIGC集群中GPU的數(shù)據(jù)交互能力提升25%。

??三是將數(shù)據(jù)信號(hào)從傳統(tǒng)的PCB互聯(lián)，跨越到全光互聯(lián)，極大降低了功耗，單集群可降低30%的TCO支出。

技術(shù)趨勢(shì)二：白盒技術(shù)推動(dòng)行業(yè)充分競(jìng)爭(zhēng)，良性發(fā)展

白盒交換機(jī)采用開放的設(shè)備架構(gòu)和軟硬解耦的思想，提升了設(shè)備可編程性、靈活性，可以有效支撐未來新型業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可定制、高性能、可編

程、確定性的需求，在網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略發(fā)展中具有重要地位。

??良性發(fā)展：白盒交換機(jī)在過去三十年間得到了快速發(fā)展。1994年，Linux 1.0 版本正式發(fā)布，2年后2.0版本正式更新，提供了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議/功能控制的開源框架；2010年日本電器（NEC）和惠普（HP）推出基于OVS（OpenVSwitch）的開放軟件交換機(jī)；2015 年，OCP成功推出第一款白盒交換機(jī)；2016 年至今，白盒設(shè)備、軟件操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化等技術(shù)已得到蓬勃的發(fā)展。

??架構(gòu)：白盒交換機(jī)分硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件一般包括交換芯片、CPU芯片、網(wǎng)卡、存儲(chǔ)以及外圍硬件設(shè)備等；軟件主要是指網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）及其搭載的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，NOS一般通過基礎(chǔ)軟件平臺(tái)的引導(dǎo)完成安裝，芯片接口層則將交換芯片的硬件功能封裝為統(tǒng)一的接口，解耦上層應(yīng)用與底層硬件。具體而言，上層應(yīng)用通過調(diào)用芯片接口定制底層轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，提供網(wǎng)絡(luò)的可編程功能。

??優(yōu)點(diǎn)：

?交換機(jī)白盒化已得到上下游企業(yè)的一致認(rèn)同，可聯(lián)動(dòng)白盒開源生態(tài)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展

?白盒交換機(jī)采用開放的設(shè)備架構(gòu)和軟硬解耦思想，降低購(gòu)置開發(fā)成本

?白盒交換機(jī)支持硬件數(shù)據(jù)面可編程和軟件容器化部署

在全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩及AIGC算力成本高昂的背景下，白盒交換機(jī)成本低、開放性高、操作難度小的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加突出。傳統(tǒng)交換機(jī)的軟硬件開發(fā)均由設(shè)備廠商提供，系統(tǒng)完全封閉，滿足新功能快速開發(fā)部署需求慢，采購(gòu)成本久高不下。

在白盒交換機(jī)架構(gòu)下增加芯片接口層，將交換芯片的硬件功能封裝為統(tǒng)一的接口，采用開放的設(shè)備架構(gòu)和軟硬解耦思想，降低購(gòu)置開發(fā)成本。

技術(shù)趨勢(shì)三：頭部交換機(jī)企業(yè)積極部署大模型，由硬件向軟件發(fā)展

華為在2021年4月就推出了華為云盤古大模型，該模型是業(yè)界首個(gè)千億級(jí)生成與理解中文NLP大模型，也是業(yè)界最大的CV大模型。

新華三于今年6月發(fā)布針對(duì)行業(yè)市場(chǎng)的私域大模型——百業(yè)靈犀LinSeer。該大模型主要服務(wù)垂直行業(yè)、專屬地域的客戶。主要特點(diǎn)是，可以提供安全、訂制、獨(dú)享、生長(zhǎng)的智能化服務(wù)，能夠滿足客戶行業(yè)專注、區(qū)域?qū)?、?shù)據(jù)專有、價(jià)值專享的需求。

技術(shù)趨勢(shì)四：液冷交換機(jī)助數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)低能耗

數(shù)據(jù)中心能耗占比中，散熱系統(tǒng)能耗平均高達(dá)33%，因?yàn)閭鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)是以比熱容很低的空氣作為載冷媒介。

當(dāng)前液冷技術(shù)主要分為單相液冷和兩相液冷,單相液冷復(fù)雜度更低更易實(shí)現(xiàn),單相液冷分為冷板式液冷和浸沒式液冷，沉浸式液冷方案更勝一籌。

銳捷采用了冷板式液冷散熱器，對(duì)MAC芯片和周圍的光模塊進(jìn)行一體化覆蓋，通過冷卻液在板內(nèi)流道的流動(dòng)帶走熱量。

技術(shù)趨勢(shì)五：CPO技術(shù)減少高速電通損耗，或成高速交換機(jī)核心技術(shù)

共封裝光學(xué)（Co-packaged?Optics，縮寫為CPO）是一種新型的光學(xué)封裝技術(shù)，旨在將光學(xué)元件直接封裝在芯片內(nèi)部，可以通過更短的光學(xué)路徑和更緊密的光學(xué)耦合實(shí)現(xiàn)更高效的光通信，同時(shí)也可以減少光學(xué)連接和對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜性，從而實(shí)現(xiàn)更高密度的光電集成和更高性能的光通信系統(tǒng)。

全球多家不同背景的大廠商已開始布局該領(lǐng)域研發(fā)。目前AWS、微軟、思科、博通、英偉達(dá)均在布局CPO技術(shù)和產(chǎn)品。比如：設(shè)備商思科和Juniper未來都將推出51.2T/s的CPO交換機(jī)；博通發(fā)布了基于光電共封裝技術(shù)的下一代交換機(jī)ASIC芯片的發(fā)展路線圖。國(guó)內(nèi)廠商銳捷網(wǎng)絡(luò)正式推出首款應(yīng)用CPO技術(shù)兼容液冷散熱模式的技術(shù)中心交換機(jī)。

技術(shù)趨勢(shì)六：TSN成為構(gòu)建工業(yè)IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)間的重要橋梁

TSN是解決大帶寬的新技術(shù)，同時(shí)TSN+OPC UA將解決協(xié)議碎片化問題，有望加速應(yīng)用：

??TSN可以為網(wǎng)絡(luò)連接提供準(zhǔn)確的時(shí)間同步和時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)及時(shí)性的保證。作為下一代工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，保證了來自不同供應(yīng)商的設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)級(jí)兼容性。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)，TSN通過標(biāo)準(zhǔn)配置分發(fā)給設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度接口，支持確定性通信。消息的定時(shí)釋放確保了網(wǎng)絡(luò)中的延遲可以被確定性地預(yù)測(cè)和管理。

??TSN與 OPC UA的融合有助于解決工業(yè)通信協(xié)議碎片化的問題。TSN技術(shù)基于以太網(wǎng)提供了一套數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，解決了網(wǎng)絡(luò)通訊中數(shù)據(jù)傳輸及獲取的可靠性和確定性的問題；OPC UA則提供一套通用的數(shù)據(jù)解析機(jī)制，解決系統(tǒng)互操作的復(fù)雜性問題。因此TSN 能把PROFINET等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線和OPC UA共享到同一個(gè)通信設(shè)施上，有助于解決工業(yè)通信協(xié)議碎片化的問題。

技術(shù)趨勢(shì)七：以太網(wǎng)芯片國(guó)際廠商主導(dǎo)，國(guó)產(chǎn)自主逐步完善

以太網(wǎng)物理層芯片競(jìng)爭(zhēng)格局高度集中，國(guó)內(nèi)自主逐步完善，提升空間大。根據(jù)中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球以太網(wǎng)物理芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，博通、美滿電子、瑞昱、德州儀器、高通和微芯穩(wěn)居前列，前五大以太網(wǎng)物理層芯片供應(yīng)商市場(chǎng)份額占比高達(dá)91%。在中國(guó)市場(chǎng)，以太網(wǎng)物理層芯片市場(chǎng)基本被境外國(guó)際巨頭所主導(dǎo)。

??物理層典型國(guó)產(chǎn)企業(yè)裕太微：成立于2017年，是具備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)能力，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的以太網(wǎng)物理層芯片供應(yīng)商。公司目前的產(chǎn)品主要為百兆、千兆的單口及多口以太網(wǎng)物理層芯片，可滿足信息通訊、汽車電子、消費(fèi)電子、監(jiān)控設(shè)備、工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域的需求。未來，公司一方面將推出更高速率的物理層芯片產(chǎn)品，其中2.5G物理層產(chǎn)品已量產(chǎn)流片、車載千兆以太網(wǎng)物理層芯片已工程流片，另一方面，在物理層芯片產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，公司逐步向上層網(wǎng)絡(luò)處理產(chǎn)品拓展，布局以太網(wǎng)交換芯片、網(wǎng)卡芯片、車載網(wǎng)關(guān)等產(chǎn)品線。

??交換層層典型國(guó)產(chǎn)企業(yè)盛科通信：公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為以太網(wǎng)交換芯片及配套產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)和銷售，公司現(xiàn)已形成豐富的以太網(wǎng)交換芯片產(chǎn)品序列，覆蓋從接入層到核心層的以太網(wǎng)交換產(chǎn)品，比如：公司TsingMa.MX系列交換容量達(dá)到2.4Tbps，支持400G端口速率，支持5G承載特性和數(shù)據(jù)中心特性；GoldenGate系列芯片交換容量達(dá)到1.2Tbps，支持100G端口速率，支持可視化和無損網(wǎng)絡(luò)特性；公司在研Arctic系列面向超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，支持最大端口速率800G，搭載增強(qiáng)安全互聯(lián)、增強(qiáng)可視化和可編程等先進(jìn)特性。

編輯：黃飛

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