基本介紹
- 中文名：交換晶片
- 產品類型：專用積體電路
工作原理與架構,技術參數與性能,技術發展歷程,產品形態與分類,市場與競爭格局,套用場景與未來趨勢,
工作原理與架構
交換晶片是網路設備中實現高速、精準數據交換與轉發的核心硬體，其架構設計直接決定了網路設備的性能、功能與擴展性。
交換晶片處理數據包的完整流程主要包括數據包接收、報文解析、查表決策、排隊與調度以及報文修改與傳送。交換晶片通過接收連線埠接收數據包，並對數據包中的目的地址等信息進行分類和處理。其會對數據幀進行解封裝，提取關鍵欄位，並依據MAC地址表進行二層轉發或依據三層轉發表進行路由轉發。在轉發過程中，QoS模組依據優先權進行佇列管理和流量整形。交換晶片的硬體轉發並不關心路由的具體下一跳IP位址，主要依據MAC表項和三層轉發表項進行高速轉發。
交換晶片通常採用模組化設計，其典型內部架構包含接口模組、CPU接口模組、報文解析器/修改器模組、二層轉發引擎、三層轉發引擎、記憶體管理單元、安全模組、流分類模組以及服務質量模組等核心功能模組。這些模組協同工作，構成了一個高效的數據處理流水線。
交換晶片的數據轉發模式主要包括直通式和存儲轉髮式。
與傳統固定功能的ASIC交換晶片不同，新興的可程式交換晶片允許通過軟體定義數據包的解析、查表和轉發行為。基於Match-Actions架構的可程式交換晶片在保持高性能的同時提供了靈活性和定製化能力，能夠支持隨流檢測、網路功能虛擬化加速等新功能。
技術參數與性能
交換晶片的核心性能指標主要包括交換容量、連線埠速率與密度、包轉發率、轉發延遲和快取大小等。例如，博通Tomahawk 5交換容量達51.2Tbps，支持64個800G連線埠；盛科通信Arctic系列交換容量達25.6Tbps；博通BCM56340交換容量為1.8 Tbps，包轉發率1.35 Bpps；芯動科技PCIe Gen5交換晶片轉發延遲低至115納秒。國際廠商如博通的Tomahawk系列、Marvell的Teralynx系列以及思科的Silicon One系列均推出了交換容量達51.2Tbps的產品。國內廠商如盛科通信的Arctic系列交換容量為25.6Tbps，芯動科技發布了120通道PCIe Gen5交換晶片。
支撐高性能的關鍵底層技術之一是不斷微縮的製程工藝。交換晶片製程由2014年的22nm快速演進至2022年的5nm，下一代（如102.4T晶片）有望採用3nm製程。工藝進步是提升晶片集成度、降低功耗、提高性能的基礎。
隨著性能的飛躍，交換晶片的功耗也顯著增加。下一代102.4T晶片的單晶片功耗存在超過1000W的可能，散熱方案可能從風冷切換至液冷。例如，英偉達Quantum-X800系列交換機已有液冷型號（Q3400-LD）。功耗管理已成為高端交換晶片設計的關鍵挑戰之一。
技術發展歷程
乙太網交換晶片行業的發展歷程大致可以劃分為三個階段：萌芽期（1970-1990）、啟動期（1990-2010）和高速發展階段（2010-至今）。
技術演進以數據中心交換晶片為代表，其性能持續快速提升。以博通開發的數據中心交換晶片Tomahawk系列為例，第一代Tomahawk晶片於2014年下半年發布，頻寬3.2Tbps；2022年下半年，Tomahawk5發布，單晶片頻寬高達51.2Tbps。交換晶片平均疊代周期約為2年。下一代102.4T交換晶片有望於2025年底推出，或將採用3nm製程，單晶片功耗存在超過1000W的可能，或切換至液冷散熱模組。連線埠速率持續提升，800G速率交換晶片從2023年開始逐漸起量，預計至2025年，800G速率交換晶片市場規模將超過100G/400G速率交換晶片成為數據中心主流產品。
2025年7月，博通發布了Tomahawk Ultra交換晶片，其核心指標包括在51.2Tbps滿負載下可實現250ns的轉發延遲，並集成了“網路內集合操作”引擎以最佳化AI訓練。
國產交換晶片持續追趕。國內主要商用交換晶片廠商盛科通信推出的TsingMa.MX（交換容量2.4Tbps）、GoldenGate（交換容量1.2Tbps）等系列，均已導入國內主流網路設備商並實現規模量產。其在研的Arctic系列，交換容量最高達到25.6Tbps，支持最大連線埠速率800G，面向超大規模數據中心。2024年9月，中國移動啟動GSE晶片合作夥伴招募，計畫共同開發一款高規格的（51.2T以上）交換晶片產品。
產品形態與分類
交換晶片可根據商業模式、套用場景、性能等級以及所支持的互連協定等不同維度進行分類。
從市場角度，交換晶片可分為自研晶片和商用晶片兩大類。自研晶片由網路設備廠商設計並直接用於自家交換機產品，主要廠商包括思科、華為、中興等。商用晶片則由獨立的晶片設計公司研發並通過市場銷售給下游網路設備廠商，主要廠商包括博通、Marvell、盛科通信等。2020年中國自用乙太網交換晶片市場以銷售額口徑統計，華為和思科分別以88.0%和11.0%的市占率排名前兩位。在商用市場方面，博通、美滿和瑞昱分別以61.7%、20.0%和16.1%的市占率排名前三位，合計占據了97.8%的市場份額。
按套用領域，交換晶片主要可分為用於企業網路、運營商網路、數據中心網路及工業網路的交換晶片。其中，數據中心是增長最快的市場。中國商用數據中心用乙太網交換晶片總體市場規模2020年達到52.60億元，預計至2025年市場規模將達到120.40億元，2020-2025年複合年均增長率（CAGR）為18.00%，高於其他套用場景。
從總頻寬看，交換晶片產品可分為低端（百兆、千兆及萬兆）、中端（100Gbps-12.8Tbps）、高端（12.8Tbps-51.2Tbps）和超高端（51.2Tbps及以上）。博通於2022年8月發布了目前業內最高端的交換晶片Tomahawk 5，為市面上首個量產51.2Tbps交換頻寬的晶片。交換晶片平均疊代周期約為2年，下一代102.4T交換晶片有望於2025年底推出。
除了傳統的乙太網交換晶片，還有用於特定互連協定的晶片，如PCIe/CXL交換晶片、RapidIO交換晶片等。例如，芯動科技於2026年2月發布了全球首款120通道PCIe Gen5交換晶片，可同時連線16塊高性能顯示卡協同工作，數據傳輸延遲為115納秒，主要針對AI大模型伺服器的“互聯牆”痛點。Marvell於2026年1月宣布收購高速交換晶片技術公司XConn，以增強其在PCIe和CXL交換晶片領域的技術實力。
市場與競爭格局
2020年全球乙太網交換晶片市場規模約368億元，預計2025年將達到434億元，年複合增長率（CAGR）約為11%。中國交換晶片市場2020年約為125億元，預計2025年將達到225億元，CAGR約13%。數據中心是市場增長的主要動力，預計至2025年，100G及以上的中國商用乙太網交換晶片市場規模占比將達到44.2%。
乙太網交換晶片行業具備較高的技術、資金和客戶壁壘，市場集中度較高，呈現寡頭壟斷格局。2020年，全球商用乙太網交換晶片市場主要由博通、Marvell、瑞昱占據，合計市場份額超過97%。其中博通占據主導地位，其Tomahawk系列是數據中心高端市場的標桿產品。在中國自研交換晶片市場，2020年華為和思科合計占據99%的市場份額。在商用市場，2020年中國商用乙太網交換晶片市場中，盛科通信以1.6%的銷售額份額排名第四，在中國境內廠商中排名第一。
交換晶片平均疊代周期約為2年，下一代102.4T交換晶片有望於2025年底推出。AI/數據中心推高高端晶片需求，800G速率交換晶片預計在2025年成為數據中心主流。目前51.2T交換容量的廠商包括博通、思科、Marvell和英偉達。2026年初，Marvell宣布以約5.4億美元收購高速交換晶片技術公司XConn，以增強其在PCIe/CXL交換領域的技術實力和市場份額。
我國交換晶片國產化程度較低，替代空間廣闊。國內主要商用廠商盛科通信產品已覆蓋接入層到核心層，其面向超大規模數據中心的高性能交換產品Arctic系列（最高25.6Tbps）預計在2024-2025年推出。其他國內廠商包括朗銳芯（春熙SW9004，頻寬200G）、楠菲微（ES8800系列，頻寬8.0Tb/s）等。2026年2月，芯動科技發布了全球首款120通道PCIe Gen5交換晶片，打破海外廠商在該領域的壟斷，並已與國產主流伺服器適配。2024年，中國移動啟動GSE晶片研發計畫，旨在開發51.2T以上規格的國產交換晶片。
套用場景與未來趨勢
交換晶片作為網路設備的核心部件，其套用覆蓋企業網路、運營商網路、數據中心網路及工業網路等多個領域。在數據中心領域，交換晶片是實現大規模數據互動和存儲的關鍵部件。隨著AI算力需求增長，高速互聯成為瓶頸，交換晶片是解決GPU間“互聯牆”、提升集群算力效率的關鍵。
交換晶片的未來發展趨勢主要包括多個方面。交換容量持續向更高頻寬演進，下一代102.4T交換晶片有望於2025年底推出，連線埠速率800G正成為數據中心主流。為適應靈活的網路功能，可程式交換晶片架構價值凸顯，基於Match-Actions的架構能在數據中心內部及雲網關等場景提供硬體加速和自定義數據處理能力。交換晶片與CXL、PCIe等新協定結合，支持記憶體池化等先進套用，已有廠商推出支持CXL 2.0/3.0和PCIe 5.0/6.0的交換晶片。國產交換晶片廠商在高端產品上取得突破，國產替代進程正在加速。此外，光電路交換（OCS）等新技術試圖在光域直接完成交換，可能對傳統電交換架構構成長期影響。
