異構(gòu)計算發(fā)展趨勢的助力

1.什么是DPU

DPU（Data Processing Unit）是以數(shù)據(jù)為中心構(gòu)造的專用處理器，采用軟件定義技術(shù)路線支撐基礎(chǔ)設(shè)施層資源虛擬化，支持存儲、安全、服務(wù)質(zhì)量管理等 基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)。2020年NVIDIA公司發(fā)布的DPU產(chǎn)品戰(zhàn)略中將其定位為數(shù)據(jù)中心繼CPU和GPU之后的“第三顆主力芯片”，掀起了一波行業(yè)熱潮。DPU的出現(xiàn)是異構(gòu)計算的一個階段性標志。與GPU的發(fā)展類似，DPU是應(yīng)用驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的又一典型案例；但與GPU不同的是，DPU面向的應(yīng)用更加底層。DPU要解決的核心問題是基礎(chǔ)設(shè)施的“降本增效”，即將“CPU處理效率低 下、GPU處理不了”的負載卸載到專用DPU，提升整個計算系統(tǒng)的效率、降低 整體系統(tǒng)的總體擁有成本（TCO）。DPU的出現(xiàn)也許是體系結(jié)構(gòu)朝著專用化路線發(fā)展的又一個里程碑。

關(guān)于DPU中“D”的解釋

DPU中的“D”有三種解釋：

（1）Data Processing Unit，即數(shù)據(jù)處理器。這種解釋把“數(shù)據(jù)”放在核心 位置，區(qū)別于信號處理器、基帶處理器等通信相關(guān)的處理器對應(yīng)的“信號”， 也區(qū)別于GPU對應(yīng)的圖形圖像類數(shù)據(jù)，這里的“數(shù)據(jù)”主要指數(shù)字化以后的各 種信息，特別是各種時序化、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，比如大型的結(jié)構(gòu)化表格，網(wǎng)絡(luò)流 中的數(shù)據(jù)包，海量的文本等等。DPU就是處理這類數(shù)據(jù)的專用引擎。

（2）Datacenter Processing Unit，即數(shù)據(jù)中心處理器。這種解釋把數(shù)據(jù)中心作為DPU的應(yīng)用場景，特別是隨著WSC（Warehouse-scale Computer）的興起， 不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心成為了IT核心基礎(chǔ)設(shè)施。目前來看，DPU確實在數(shù)據(jù)中心 中使用前景非常廣闊。但是計算中心的三大部分：計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲，計算部分是CPU占主導(dǎo)，GPU輔助；網(wǎng)絡(luò)部分是路由器和交換機，存儲部分是高密度 磁盤構(gòu)成的的RAID系統(tǒng)和SSD為代表非易失性存儲系統(tǒng)。在計算和網(wǎng)絡(luò)中扮演 數(shù)據(jù)處理的芯片都可以稱之為Datacenter Processing Unit，所以這種說法相對比 較片面。

（3）Data-centric Processing Unit，即以數(shù)據(jù)為中心的處理器。Data-centric，即數(shù)據(jù)為中心，是處理器設(shè)計的一種理念，相對于“Control-centric”即控制為 中心。經(jīng)典的馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)就是典型的控制為中心的結(jié)構(gòu)，在馮諾依曼經(jīng) 典計算模型中有控制器、計算器、存儲器、輸入和輸出，在指令系統(tǒng)中的表現(xiàn) 是具有一系列非常復(fù)雜的條件跳轉(zhuǎn)和尋址指令。而數(shù)據(jù)為中心的理念與數(shù)據(jù)流 （Data Flow）計算一脈相承，是一種實現(xiàn)高效計算的方法。同時，現(xiàn)在試圖打 破訪存墻（Memory Wall）的各種近存（Near-memory）計算、存內(nèi)（Inmemory）計算、存算一體等技術(shù)路線，也符合數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計理念。

以上三種關(guān)于“D”的解釋，從不同角度反映DPU的特征，都有一定的可取之處，筆者認為可以作為不同的三個維度來理解DPU的內(nèi)涵。

DPU的作用

DPU最直接的作用是作為CPU的卸載引擎，接管網(wǎng)絡(luò)虛擬化、硬件資源池 化等基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)，釋放CPU的算力到上層應(yīng)用。以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理為例，要 線速處理10G的網(wǎng)絡(luò)需要的大約4個Xeon CPU的核，也就是說，單是做網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理，就可以占去一個8核高端CPU一半的算力。如果考慮40G、100G的高速網(wǎng)絡(luò)，性能的開銷就更加難以承受了。Amazon把這些開銷都稱之為 “Datacenter Tax”，即還未運行業(yè)務(wù)程序，先接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)就要占去的計算資源。AWS Nitro產(chǎn)品家族旨在將數(shù)據(jù)中心開銷（為虛擬機提供遠程資源，加密解密，故障跟蹤，安全策略等服務(wù)程序）全部從CPU卸載到Nitro加速卡上，將給上層應(yīng)用釋放30%的原本用于支付“Tax”的算力！

DPU可以成為新的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，將安全隱私提升到一個新的高度。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)接口是理想的隱私的邊界，但是加密、解密算法開銷都很大，例如 國密標準的非對稱加密算法SM2、哈希算法SM3和對稱分組密碼算法SM4。如果用CPU來處理，就只能做少部分數(shù)據(jù)量的加密。在未來，隨著區(qū)塊鏈承載的業(yè)務(wù)的逐漸成熟，運行共識算法POW，驗簽等也會消耗掉大量的CPU算力。而這些都可以通過將其固化在DPU中來實現(xiàn)，甚至DPU將成為一個可信根。

DPU也可以成為存儲的入口，將分布式的存儲和遠程訪問本地化。隨著 SSD性價比逐漸可接受，部分存儲遷移到SSD器件上已經(jīng)成為可能，傳統(tǒng)的面向 機械硬盤的SATA協(xié)議并不適用于SSD存儲，所以，將SSD通過本地PCIe或高速 網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)就成為必選的技術(shù)路線。NVMe（Non Volatile Memory Express） 就是用于接入SSD存儲的高速接口標準協(xié)議，可以通過PCIe作為底層傳輸協(xié)議，將SSD的帶寬優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。同時，在分布式系統(tǒng)中，還可通過NVMe over Fabrics（NVMe-oF）協(xié)議擴展到InfiniBand、Ethernet、或Fibre channel節(jié)點中，以RDMA的形式實現(xiàn)存儲的共享和遠程訪問。這些新的協(xié)議處理都可以集成在DPU中以實現(xiàn)對CPU的透明處理。進而，DPU將可能承接各種互連協(xié)議控制器的角色，在靈活性和性能方面達到一個更優(yōu)的平衡點。

DPU將成為算法加速的沙盒，成為最靈活的加速器載體。DPU不完全是一顆固化的ASIC，在CXL、CCIX等標準組織所倡導(dǎo)CPU、GPU與DPU等數(shù)據(jù)一致性訪問協(xié)議的鋪墊下，將更進一步掃清DPU編程障礙，結(jié)合FPGA等可編程器件，可定制硬件將有更大的發(fā)揮空間，“軟件硬件化”將成為常態(tài)，異構(gòu)計算 的潛能將因各種DPU的普及而徹底發(fā)揮出來。在出現(xiàn)“Killer Application”的領(lǐng)域都有可能出現(xiàn)與之相對應(yīng)的DPU，諸如傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用如OLAP、OLTP， 5G 邊緣計算，智能駕駛V2X等等。

2.DPU的發(fā)展背景

DPU的出現(xiàn)是異構(gòu)計算的又一個階段性標志。摩爾定律放緩使得通用CPU 性能增長的邊際成本迅速上升，數(shù)據(jù)表明現(xiàn)在CPU的性能年化增長（面積歸一 化之后）僅有3%左右1，但計算需求卻是爆發(fā)性增長，這幾乎是所有專用計算芯片得以發(fā)展的重要背景因素。以AI芯片為例，最新的GPT-3等千億級參數(shù)的超大型模型的出現(xiàn)，將算力需求推向了一個新的高度。DPU也不例外。隨著2019年我國以信息網(wǎng)絡(luò)等新型基礎(chǔ)設(shè)施為代表的“新基建”戰(zhàn)略帷幕的拉開，5G、千兆光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展迅速，移動互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)展日新月異。云計算、數(shù)據(jù)中心、智算中心等基礎(chǔ)設(shè)施快速擴容。網(wǎng)絡(luò)帶寬從主流 10G朝著25G、40G、100G、200G甚至400G發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)帶寬和連接數(shù)的劇增使得數(shù)據(jù)的通路更寬、更密，直接將處于端、邊、云各處的計算節(jié)點暴露在了劇增的數(shù)據(jù)量下，而CPU的性能增長率與數(shù)據(jù)量增長率出現(xiàn)了顯著的“剪刀差”現(xiàn)象。所以，尋求效率更高的計算芯片就成為了業(yè)界的共識。DPU芯片就是在這樣的趨勢下提出的。

帶寬性能增速比（RBP）失調(diào)

摩爾定律的放緩與全球數(shù)據(jù)量的爆發(fā)這個正在迅速激化的矛盾通常被作為處理器專用化的大背景，正所謂硅的摩爾定律雖然已經(jīng)明顯放緩，但“數(shù)據(jù)摩爾定律”已然到來。IDC的數(shù)據(jù)顯示，全球數(shù)據(jù)量在過去10年年均復(fù)合增長率接近50%，并進一步預(yù)測每四個月對于算力的需求就會翻一倍。因此必須要找到新的可以比通用處理器帶來更快算力增長的計算芯片，DPU于是應(yīng)運而生。這個大背景雖然有一定的合理性，但是還是過于模糊，并沒有回答DPU之所以新的原因是什么，是什么“量變”導(dǎo)致了“質(zhì)變”？

從現(xiàn)在已經(jīng)公布的各個廠商的DPU架構(gòu)來看，雖然結(jié)構(gòu)有所差異，但都不約而同強調(diào)網(wǎng)絡(luò)處理能力。從這個角度看，DPU是一個強IO型的芯片，這也是 DPU與CPU最大的區(qū)別。CPU的IO性能主要體現(xiàn)在高速前端總線（在Intel的體系里稱之為FSB，F(xiàn)ront Side Bus），CPU通過FSB連接北橋芯片組，然后連接到主存系統(tǒng)和其他高速外設(shè)（主要是PCIe設(shè)備）。目前更新的CPU雖然通過集成 存儲控制器等手段弱化了北橋芯片的作用，但本質(zhì)是不變的。CPU對于處理網(wǎng)絡(luò)處理的能力體現(xiàn)在網(wǎng)卡接入鏈路層數(shù)據(jù)幀，然后通過操作系統(tǒng)（OS）內(nèi)核態(tài)，發(fā)起DMA中斷響應(yīng)，調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議解析程序，獲得網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（雖然也有不通過內(nèi)核態(tài)中斷，直接在用戶態(tài)通過輪詢獲得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的技術(shù)，如Intel的DPDK，Xilinx的Onload等，但目的是降低中斷的開銷，降低內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的切換開銷，并沒有從根本上增強IO性能）?？梢?，CPU是通過非常間接 的手段來支持網(wǎng)絡(luò)IO，CPU的前端總線帶寬也主要是要匹配主存（特別是 DDR）的帶寬，而不是網(wǎng)絡(luò)IO的帶寬。

相較而言，DPU的IO帶寬幾乎可以與網(wǎng)絡(luò)帶寬等同，例如，網(wǎng)絡(luò)支持 25G，那么DPU就要支持25G。從這個意義上看，DPU繼承了網(wǎng)卡芯片的一些特 征，但是不同于網(wǎng)卡芯片，DPU不僅僅是為了解析鏈路層的數(shù)據(jù)幀，而是要做直接的數(shù)據(jù)內(nèi)容的處理，進行復(fù)雜的計算。所以，DPU是在支持強IO基礎(chǔ)上的具備強算力的芯片。簡言之，DPU是一個IO密集型的芯片；相較而言，DPU還是一個計算密集型芯片。

進一步地，通過比較網(wǎng)絡(luò)帶寬的增長趨勢和通用CPU性能增長趨勢，能發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：帶寬性能增速比（RBP，Ratio of Bandwidth and Performance growth rate）失調(diào)。RBP定義為網(wǎng)絡(luò)帶寬的增速比上CPU性能增速， 即RBP=BW GR/Perf. GR如圖1-1所示，以Mellanox的ConnectX系列網(wǎng)卡帶寬作為網(wǎng)絡(luò)IO的案例，以Intel的系列產(chǎn)品性能作為CPU的案例，定義一個新指標“帶 寬性能增速比”來反應(yīng)趨勢的變化。

圖1-1 帶寬性能增速?（RBP）失調(diào)

2010年前，網(wǎng)絡(luò)的帶寬年化增長大約是30%，到2015年微增到35%，然后在 近年達到45%。相對應(yīng)的，CPU的性能增長從10年前的23%，下降到12%，并在近年直接降低到3%。在這三個時間段內(nèi)，RBP指標從1附近，上升到3，并在近年超過了10！如果在網(wǎng)絡(luò)帶寬增速與CPU性能增速近乎持平，RGR～1，IO壓力尚未顯現(xiàn)出來，那么當目前RBP達到10倍的情形下，CPU幾乎已經(jīng)無法直接應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的增速。RBP指標在近幾年劇增也許是DPU終于等到機會“橫空出世”的重要原因之一。

異構(gòu)計算發(fā)展趨勢的助?

DPU首先作為計算卸載的引擎，直接效果是給CPU“減負”。DPU的部分功能可以在早期的TOE（TCP/IP Offloading Engine）中看到。正如其名，TOE 就是將CPU的處理TCP協(xié)議的任務(wù)“卸載”到網(wǎng)卡上。傳統(tǒng)的TCP軟件處理方式雖然層次清晰，但也逐漸成為網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲的瓶頸。軟件處理方式對CPU的占用，也影響了CPU處理其他應(yīng)用的性能。TCP卸載引擎（TOE）技術(shù)，通過將TCP協(xié)議和IP協(xié)議的處理進程交由網(wǎng)絡(luò)接口控制器進行處理，在利用硬件加速為網(wǎng)絡(luò)時延和帶寬帶來提升的同時，顯著降低了 CPU 處理協(xié)議的壓力。具體有三個方面的優(yōu)化：1）隔離網(wǎng)絡(luò)中斷，2）降低內(nèi)存數(shù)據(jù)拷貝量，3）協(xié)議解析硬件化。這三個技術(shù)點逐漸發(fā)展成為現(xiàn)在數(shù)據(jù)平面計算的三個技術(shù)，也是DPU普遍需要支持的技術(shù)點。例如，NVMe協(xié)議，將中斷策略替換為輪詢策略，更充分的開發(fā)高速存儲介質(zhì)的帶寬優(yōu)勢；DPDK采用用戶態(tài)調(diào)用，開發(fā)“Kernelbypassing”機制，實現(xiàn)零拷貝（Zeor-Copy）；在DPU中的面向特定應(yīng)用的專用核，例如各種復(fù)雜的校驗和計算、數(shù)據(jù)包格式解析、查找表、IP安全（IPSec）的支持等，都可以視為協(xié)議處理的硬件化支持。所以，TOE基本可以被視為DPU的雛形。

延續(xù)TOE的思想，將更多的計算任務(wù)卸載至網(wǎng)卡側(cè)來處理，促進了智能網(wǎng)卡（SmartNIC）技術(shù)的發(fā)展。常見的智能網(wǎng)卡的基本結(jié)構(gòu)是以高速網(wǎng)卡為基本 功能，外加一顆高性能的FPGA芯片作為計算的擴展，來實現(xiàn)用戶自定義的計算邏輯，達到計算加速的目的。然而，這種“網(wǎng)卡+FPGA”的模式并沒有將智能網(wǎng)卡變成一個絕對主流的計算設(shè)備，很多智能網(wǎng)卡產(chǎn)品被當作單純的FPGA加速卡來使用，在利用FPGA優(yōu)勢的同時，也繼承了所有FPGA的局限性。DPU是對現(xiàn)有的SmartNIC的一個整合，能看到很多以往SmartNIC的影子，但明顯高于之前任何一個SmartNIC的定位。

Amazon的AWS在2013研發(fā)了Nitro產(chǎn)品，將數(shù)據(jù)中心開銷（為虛機提供遠程 資源，加密解密，故障跟蹤，安全策略等服務(wù)程序）全部放到專用加速器上執(zhí) 行。Nitro架構(gòu)采用輕量化Hypervisor配合定制化的硬件，將虛擬機的計算（主要是CPU和內(nèi)存）和I/O（主要是網(wǎng)絡(luò)和存儲）子系統(tǒng)分離開來，通過PCIe總線連接，節(jié)省了30%的CPU資源。阿里云提出的X-Dragon系統(tǒng)架構(gòu)，核心是MOC卡，有比較豐富的對外接口，也包括了計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源。MOC卡的核心X-Dragon SOC，統(tǒng)一支持網(wǎng)絡(luò)，IO、存儲和外設(shè)的虛擬化，為虛擬機、裸金屬、容器云提供統(tǒng)一的資源池。

可見，DPU其實在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)孕育已久，從早期的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理卸載，到后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)、存儲、虛擬化卸載，其帶來的作用還是非常顯著的，只不過在此 之前DPU“有實無名”，現(xiàn)在是時候邁上一個新的臺階了。

3.DPU發(fā)展歷程

隨著云平臺虛擬化技術(shù)的發(fā)展，智能網(wǎng)卡的發(fā)展基本可以分為三個階段

第?階段：基礎(chǔ)功能?卡

基礎(chǔ)功能網(wǎng)卡（即普通網(wǎng)卡）提供2x10G或2x25G帶寬吞吐，具有較少的硬 件卸載能力，主要是Checksum，LRO/LSO等，支持SR-IOV，以及有限的多隊列能力。在云平臺虛擬化網(wǎng)絡(luò)中，基礎(chǔ)功能網(wǎng)卡向虛擬機（VM）提供網(wǎng)絡(luò)接入的方式主要是有三種：由操作系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動接管網(wǎng)卡并向虛擬機（VM）分發(fā)網(wǎng)絡(luò) 流量；由OVS-DPDK接管網(wǎng)卡并向虛擬機（VM）分發(fā)網(wǎng)絡(luò)流量；以及高性能場景下通過SR-IOV的方式向虛擬機（VM）提供網(wǎng)絡(luò)接入能力。

第?階段：硬件卸載?卡

可以認為是第一代智能網(wǎng)卡，具有豐富的硬件卸載能力，比較典型的有 OVS Fastpath硬件卸載，基于RoCEv1和RoCEv2的RDMA網(wǎng)絡(luò)硬件卸載，融合網(wǎng) 絡(luò)中無損網(wǎng)絡(luò)能力（PFC，ECN，ETS等）的硬件卸載，存儲領(lǐng)域NVMe-oF的硬件卸載，以及安全傳輸?shù)臄?shù)據(jù)面卸載等。這個時期的智能網(wǎng)卡以數(shù)據(jù)平面的卸載為主。

第三階段：DPU智能?卡

可以認為是第二代智能網(wǎng)卡，在第一代智能網(wǎng)卡基礎(chǔ)上加入CPU，可以用來卸載控制平面的任務(wù)和一些靈活復(fù)雜的數(shù)據(jù)平面任務(wù)。目前DPU智能網(wǎng)卡的 特點首先是支持PCIe Root Complex模式和Endpoint模式，在配置為PCIe Root Complex模式時，可以實現(xiàn)NVMe存儲控制器，與NVMe SSD磁盤一起構(gòu)建存儲服務(wù)器；另外，由于大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的需要，對無損網(wǎng)絡(luò)的要求更加嚴格，需要解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中Incast流量、“大象”流等帶來的網(wǎng)絡(luò)擁塞和時延問題，各大公有云廠商紛紛提出自己的應(yīng)對方法，比如阿里云的高精度擁塞控制（HPCC，High Precision Congestion Control），AWS的可擴展可靠數(shù)據(jù)報（SRD，Scalable Reliable Datagram）等。DPU智能網(wǎng)卡在解決這類問題時將會引入更為先進的方法，如Fungible的TrueFabric，就是在DPU智能網(wǎng)卡上的新式解決方案。還有，業(yè)界提出了Hypervisor中的網(wǎng)絡(luò)，存儲和安全全棧卸載的發(fā)展方向，以Intel為代表提出了IPU，將基礎(chǔ)設(shè)施的功能全部卸載到智能網(wǎng)卡中，可以全面釋放之前用于Hypervisor管理的CPU算力。

未來的DPU智能?卡硬件形態(tài)

隨著越來越多的功能加入到智能網(wǎng)卡中，其功率將很難限制在75W之內(nèi)， 這樣就需要獨立的供電系統(tǒng)。所以，未來的智能網(wǎng)卡形態(tài)可能有三種形態(tài)：

（1）獨立供電的智能網(wǎng)卡，需要考慮網(wǎng)卡狀態(tài)與計算服務(wù)之間低層信號識 別，在計算系統(tǒng)啟動的過程中或者啟動之后，智能網(wǎng)卡是否已經(jīng)是進入服務(wù)狀 態(tài)，這些都需要探索和解決。

（2）沒有PCIe接口的DPU智能網(wǎng)卡，可以組成DPU資源池，專門負責(zé)網(wǎng)絡(luò) 功能，例如負載均衡，訪問控制，防火墻設(shè)備等。管理軟件可以直接通過智能 網(wǎng)卡管理接口定義對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能，并作為虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能集群提供對應(yīng)網(wǎng)絡(luò) 能力，無需PCIe接口。

（3）多PCIe接口，多網(wǎng)口的DPU芯片。例如Fungible F1芯片，支持16個雙 模PCIe控制器，可以配置為Root Complex模式或Endpoint模式，以及8x100G網(wǎng)絡(luò) 接口。通過PCIe Gen3 x8接口可以支撐8個Dual-Socket計算服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供 8x100G帶寬的網(wǎng)口。

DPU作為一種新型的專用處理器，隨著需求側(cè)的變化，必將在未來計算系統(tǒng)中成為一個重要組成部分，對于支撐下一代數(shù)據(jù)中心起到至關(guān)重要的作用。

4.DPU與CPU、GPU的關(guān)系

CPU是整個IT生態(tài)的定義者，無論是服務(wù)器端的x86還是移動端的ARM，都 各自是構(gòu)建了穩(wěn)固的生態(tài)系統(tǒng)，不僅形成技術(shù)生態(tài)圈，還形成了閉合價值鏈。

GPU是執(zhí)行規(guī)則計算的主力芯片，如圖形渲染。經(jīng)過NVIDIA對通用GPU （GPGPU）和CUDA編程框架的推廣，GPU在數(shù)據(jù)并行的任務(wù)如圖形圖像、深度學(xué)習(xí)、矩陣運算等方面成為了主力算力引擎，并且成為了高性能計算最重要的輔助計算單元。2021年6月公布的Top500高性能計算機（超級計算機）的前10 名中，有六臺（第2、3、5、6、8、9名）都部署有NVIDIA的GPU。

數(shù)據(jù)中心與超極計算機不同，后者主要面向科學(xué)計算，如大飛機研制，石油勘探、新藥物研發(fā)、氣象預(yù)報、電磁環(huán)境計算等應(yīng)用，性能是主要指標，對接入帶寬要求不高；但數(shù)據(jù)中心面向云計算商業(yè)化應(yīng)用，對接入帶寬，可靠性、災(zāi)備、彈性擴展等要求更高，與之相適應(yīng)發(fā)展起來的虛擬機、容器云、并行編程框、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)等等技術(shù)，都是為了更好的支撐上層商業(yè)應(yīng)用如電商、支付、視頻流、網(wǎng)盤、辦公OA等。但是這些IaaS和PaaS層的服務(wù)開銷極大， Amazon曾公布AWS的系統(tǒng)開銷在30%以上。如果需要實現(xiàn)更好的QoS，在網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)上的開銷還會更高。

這些基礎(chǔ)層應(yīng)用類型與CPU架構(gòu)匹配程度不高導(dǎo)致計算效率低下。現(xiàn)有的 CPU的架構(gòu)有兩個大類：多核架構(gòu)（數(shù)個或數(shù)十幾個核）和眾核架構(gòu)（數(shù)百個核以上），每種架構(gòu)支持唯一的規(guī)范通用指令集之一，如x86、ARM等。以指令集為界，軟件和硬件被劃分開來分別獨立發(fā)展，迅速的催生了軟件產(chǎn)業(yè)和微處理器產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。但是，隨著軟件復(fù)雜度的上升，軟件的生產(chǎn)率 （Productivity）得到更多的重視，軟件工程學(xué)科也更加關(guān)注如何高效地構(gòu)建大型軟件系統(tǒng)，而非如何用更少的硬件資源獲得盡可能高的執(zhí)行性能。業(yè)界有個被戲稱的“安迪比爾定律”，其內(nèi)容是“What Andy gives， Bill takes away”，安迪（Andy）指英特爾前CEO安迪·格魯夫，比爾（Bill）指微軟前任CEO比爾· 蓋茨，意為硬件提高的性能，很快被軟件消耗掉了。

正如CPU在處理圖像處理時不夠高效一樣，現(xiàn)在有大量的基礎(chǔ)層應(yīng)用CPU處理起來也比較低效，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理，交換路由計算，加密解密，數(shù)據(jù)壓 縮等這類計算密集的任務(wù)，還有支持分布式處理的數(shù)據(jù)一致性協(xié)議如RAFT等。這些數(shù)據(jù)或者通過從網(wǎng)絡(luò)IO接入系統(tǒng)，或者通過板級高速PCIe總線接入系統(tǒng)，再通過共享主存經(jīng)由DMA機制將數(shù)據(jù)提供給CPU或GPU來處理。既要處理大量的上層應(yīng)用，又要維持底層軟件的基礎(chǔ)設(shè)施，還要處理各種特殊的IO類協(xié)議，復(fù)雜的計算任務(wù)讓CPU不堪重負。

這些基礎(chǔ)層負載給“異構(gòu)計算”提供了一個廣闊的發(fā)展空間。將這些基礎(chǔ)層負載從CPU上卸載下來，短期內(nèi)可以“提質(zhì)增效”，長遠來看還為新的業(yè)務(wù)增長提供技術(shù)保障。DPU將有望成為承接這些負載的代表性芯片，與CPU和 GPU優(yōu)勢互補，建立起一個更加高效的算力平臺?？梢灶A(yù)測，用于數(shù)據(jù)中心的DPU的量將達到和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等量的級別，每年千萬級新增，算上存量的替代，估算五年總體的需求量將突破兩億顆，超過獨立GPU卡的需求量。每臺服務(wù)器可能沒有GPU，但必須有DPU，好比每臺服務(wù)器都必須配網(wǎng)卡一樣。

5.DPU的產(chǎn)業(yè)化機遇

數(shù)據(jù)中心作為IT基礎(chǔ)設(shè)施最重要的組成部分在過去10年成為了各大高端芯片廠商關(guān)注的焦點。各大廠商都將原有的產(chǎn)品和技術(shù)，用全新的DPU的理念重 新封裝后，推向了市場。

NVIDIA收購Mellanox后，憑借原有的ConnectX系列高速網(wǎng)卡技術(shù)，推出其 BlueField系列DPU，成為DPU賽道的標桿。作為算法加速芯片頭部廠商的Xilinx 在2018年還將“數(shù)據(jù)中心優(yōu)先（Datacenter First）”作為其全新發(fā)展戰(zhàn)略。發(fā)布了Alveo系列加速卡產(chǎn)品，旨在大幅提升云端和本地數(shù)據(jù)中心服務(wù)器性能。2019年4月，Xilinx宣布收購Solarflare通信公司，將領(lǐng)先的FPGA、MPSoC和ACAP解 決方案與 Solarflare 的超低時延網(wǎng)絡(luò)接口卡（ NIC ）技術(shù)以及應(yīng)用加速軟件相結(jié)合，從而實現(xiàn)全新的融合SmartNIC解決方案。
Intel 2015年底收購了Xilinx的競爭 對手——Altera，在通用處理器的基礎(chǔ)上，進一步完善硬件加速能力。Intel 2021年6月新發(fā)布的IPU產(chǎn)品（可以被視為Intel版本的DPU），將FPGA與Xeon D系列處理器集成，成為了DPU賽道有力的競爭者。IPU是具有強化的加速器和以太網(wǎng)連接的高級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它使用緊密耦合、專用的可編程內(nèi)核加速和管理基礎(chǔ)架構(gòu)功能。IPU提供全面的基礎(chǔ)架構(gòu)分載，并可作為運行基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用的主機的控制點，從而提供一層額外防護。幾乎同一時間，Marvall發(fā)布了OCTEON 10 DPU產(chǎn)品，不僅具備強大的轉(zhuǎn)發(fā)能力，還具有突出的AI處理能力。

在同一時期，一些傳統(tǒng)并不涉足芯片設(shè)計的互聯(lián)網(wǎng)廠商，如海外的Google、Amazon，國內(nèi)的阿里巴巴等巨頭紛紛啟動了自研芯片的計劃，而且研發(fā)重點都是面向數(shù)據(jù)處理器的高性能專用處理器芯片，希望以此改善云端的服務(wù)器的成本結(jié)構(gòu)，提高單位能耗的性能水平。數(shù)據(jù)研究預(yù)測DPU在云計算市場的應(yīng)用需求最大，且市場規(guī)模隨著云計算數(shù)據(jù)中心的迭代而增長，到2025年單中國的市場容量都將達到40億美元的規(guī)模。

來源：本篇內(nèi)容來自專用數(shù)據(jù)處理器（DPU）技術(shù) 白皮書，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，鄢貴海等”。

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