中科馭數(shù)第三代DPU芯片K2-Pro，專為數(shù)據(jù)中心打造的“六邊形戰(zhàn)士”

近日，中科馭數(shù)重磅發(fā)布第三代DPU芯片K2-Pro，是國內(nèi)首顆面向量產(chǎn)的全功能芯片！

K2-Pro采用自主研發(fā)的Kernel Processing Unit架構(gòu)，集網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全及計算等多業(yè)務(wù)卸載功能于一體，包處理速率翻倍至80Mpps，最高支持200G網(wǎng)絡(luò)帶寬，具備高度可編程性，確保了系統(tǒng)的靈活擴展性，為數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)增長和算力擴容提供堅實基礎(chǔ)。在處理復(fù)雜任務(wù)時，K2-Pro相比上一代芯片能耗降低30%。

作為一款純國產(chǎn)的高性能解決方案， K2-Pro以其全面性能的均衡與卓越，成為數(shù)據(jù)中心戰(zhàn)場上的“六邊形戰(zhàn)士”，可廣泛適用于云計算、智能計算、及高性能計算等領(lǐng)域，也為數(shù)據(jù)中心的算力升級提供了全新解題思路。同時，K2-Pro也必將成為推動DPU芯片進入大規(guī)模量產(chǎn)的標桿之作。

自研KPU架構(gòu)和KISA指令集

用創(chuàng)新的體系結(jié)構(gòu)理論指導(dǎo)復(fù)雜的芯片架構(gòu)設(shè)計

對于中科馭數(shù)來說，DPU的研發(fā)之路上，架構(gòu)創(chuàng)新不是可選項，而是必選項。中科馭數(shù)在芯片研發(fā)領(lǐng)域持續(xù)深耕，從底層架構(gòu)入手，致力于解決DPU芯片面臨的高帶寬、低延遲及復(fù)雜業(yè)務(wù)需求挑戰(zhàn)的決心。

KPU架構(gòu)——專用計算代表性架構(gòu)

自主研發(fā)KPU芯片架構(gòu)是中科馭數(shù)多年體系結(jié)構(gòu)研究的結(jié)晶，基于軟件定義硬件的技術(shù)路線，創(chuàng)新性地提出了面向?qū)Ｓ糜嬎憬y(tǒng)一計算架構(gòu)KPU。該架構(gòu)采用異構(gòu)計算核作為基本單位，根據(jù)上層應(yīng)用的具體需求定制化設(shè)計，具有軟件可定義、超高并行處理能力、超強處理性能三大優(yōu)勢，配合數(shù)據(jù)流驅(qū)動的運算激活機制，確保了系統(tǒng)靈活性與高效運行的完美平衡，為DPU芯片設(shè)計打造新標桿。

KISA指令集——業(yè)界首個DPU指令集架構(gòu)

以此為基礎(chǔ)，中科馭數(shù)進一步推出了首個專為DPU設(shè)計的指令集架構(gòu)——KISA，旨在解決專用計算領(lǐng)域編程范式的碎片化問題。不同于傳統(tǒng)的CPU指令集，KISA緊密貼合DPU的特性，強調(diào)數(shù)據(jù)處理而非控制流，高計算密度型而非低計算密度型，采用數(shù)據(jù)流而非字節(jié)作為基本操作單元。更重要的是，KISA首次在指令集層次支持敏捷異構(gòu)，用一套統(tǒng)一的指令實現(xiàn)了多種異構(gòu)處理核進行管理調(diào)度。

目前，KISA指令集涵蓋了KISA基礎(chǔ)架構(gòu)、以及面向DPU專用處理擴展指令，包含包解析、轉(zhuǎn)發(fā)指令、以及表查詢指令等?；贙ISA已經(jīng)覆蓋25大類應(yīng)用場景，累計數(shù)百個用例，得到非常充分驗證。

KISA指令集的推出，將軟件定義技術(shù)路線向著更加可落地、可執(zhí)行的方向推進了一大步，系統(tǒng)性地解決了領(lǐng)域?qū)Ｓ糜嬎愕木幊谭妒交祀s的難題，讓開發(fā)變得更加簡單高效，讓每一行代碼直達DPU算力。

實用制勝，量產(chǎn)為王

K2-Pro何以稱為數(shù)據(jù)中心的“六邊形戰(zhàn)士”？

基于以上兩大底層技術(shù)創(chuàng)新，不僅打破了傳統(tǒng)DPU設(shè)計，更推動了DPU芯片向更高性能、更強靈活性和更低功耗方向發(fā)展。相較于單一性能的極致追求，中科馭數(shù)在DPU設(shè)計上秉持全面卓越的理念，致力于打造“全能冠軍”而非“單項冠軍”。

因此，K2-Pro在立項之初就把“實用制勝，量產(chǎn)為王”作為研發(fā)目標，確保技術(shù)創(chuàng)新與市場需求緊密結(jié)合。歷經(jīng)深度優(yōu)化以及融合了對數(shù)據(jù)中心未來中心場景的深入理解，K2-Pro最終實現(xiàn)以下六個方面的極致優(yōu)化：

K2-Pro是先進、好用的網(wǎng)絡(luò)芯片

對于DPU來說，首先是一個網(wǎng)卡，才能再談進一步拓展其復(fù)雜業(yè)務(wù)的處理能力。為此，中科馭數(shù)團隊在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)功能上苦下工夫，將K2-Pro打造成綜合能力強悍的網(wǎng)卡芯片。

一方面，在實現(xiàn)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)卸載功能上，K2-Pro集成了高通量DMA以及硬件虛擬化技術(shù)，并通過豐富的軟件顯著增強了運維能力，這一進步在國產(chǎn)網(wǎng)卡領(lǐng)域中尤為突出，直接對標國外主流產(chǎn)品。

另一方面，K2-Pro著重在網(wǎng)絡(luò)延時、高階包處理能力上做了增強。通過優(yōu)化設(shè)計，K2-Pro將端到端網(wǎng)絡(luò)延遲控制在1.2微秒以下，處理帶寬達到200Gbps，做到業(yè)界領(lǐng)先水平，成功填補了國內(nèi)低延遲網(wǎng)卡市場的空白。

同時，結(jié)合其可編程的包處理引擎，K2-Pro打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理局限于二層包的框架，賦予用戶更高的靈活性去執(zhí)行包解析和深度數(shù)據(jù)分析任務(wù)，根據(jù)自身需求設(shè)計特定的安全策略、流量優(yōu)化方案等等，讓用戶在硬件層面實現(xiàn)個性化配置，極大提升了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的智能化和定制化程度。

K2-Pro是高通量數(shù)據(jù)處理芯片

K2-Pro芯片，作為一款面向數(shù)據(jù)中心的高性能數(shù)據(jù)處理核心，其優(yōu)勢在于如何高效且有序地管理復(fù)雜多變的基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)。

DPU業(yè)務(wù)里面有非常鮮明的特點：一是業(yè)務(wù)類型繁多且性質(zhì)各異，涵蓋網(wǎng)絡(luò)、存儲及各類用戶特定應(yīng)用，每種業(yè)務(wù)不僅要求精確解析，還需定制化處理邏輯，加之不同業(yè)務(wù)的處理時延各異，極易引發(fā)處理順序混亂等難題。二是并發(fā)級別極高，應(yīng)對千萬級別的數(shù)據(jù)流、管理動輒數(shù)百上千的虛擬機，是數(shù)據(jù)中心面臨的運營常態(tài)。三是對延遲高度敏感，與GPU的批處理加速模式不同，DPU要求在嚴格的時間窗口內(nèi)完成任務(wù)，任何延誤都將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

鑒于此，K2-Pro的高通量數(shù)據(jù)處理能力成為其核心競爭力，其背后的關(guān)鍵技術(shù)在于精細的流調(diào)度與隔離機制。經(jīng)過深入研究與優(yōu)化，K2-Pro從流的精準識別到并發(fā)處理能力均實現(xiàn)了顯著提升，確保在極端并發(fā)場景下仍能維持高水平性能，幾乎不受流量洪峰影響。最終做到了在承載千萬級并發(fā)流、服務(wù)上千租戶、處理千萬級流表及數(shù)十種不同租戶配置的復(fù)雜業(yè)務(wù)之下，穩(wěn)定輸出200Gbps數(shù)據(jù)吞吐率及40Mpps包處理能力的領(lǐng)先性能，讓數(shù)據(jù)處理更加“游刃有余”。

K2-Pro是強業(yè)務(wù)卸載芯片

在復(fù)雜的云服務(wù)環(huán)境中，尤其是面對如服務(wù)網(wǎng)格這類高控制復(fù)雜度的業(yè)務(wù)，現(xiàn)有DPU技術(shù)往往難以有效承擔，其業(yè)務(wù)卸載效率低下，通常不足20%。業(yè)界普遍采取的應(yīng)對策略是增強控制層面的資源配置，極端時甚至采用服務(wù)器級CPU來維系控制功能。但這不僅未能從根本上改善服務(wù)質(zhì)量和降低延遲問題，反而可能導(dǎo)致資源浪費。

基于上述挑戰(zhàn)，中科馭數(shù)團隊一直認為DPU必須輕控制，而非盲目追求與CPU相匹敵的控制能力。在此理念指導(dǎo)下，K2-Pro在設(shè)計上實現(xiàn)了多項關(guān)鍵技術(shù)突破，包括但不限于精密的流調(diào)度技術(shù)、高效數(shù)據(jù)交互協(xié)議，以及專門設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)卸載、表項卸載、存儲卸載、RDMA卸載等重要引擎，將原本在DPU上難以卸載的業(yè)務(wù)比例從低于20%顯著提升至90%以上，大幅減輕了控制面的壓力。

服務(wù)治理場景下，K2-Pro也實現(xiàn)了量級的躍遷，將原先400us以上的治理延時降到了30us以內(nèi)，顯著優(yōu)于當前市場上的解決方案，為確保高性能、低延遲的云服務(wù)環(huán)境提供了強大的技術(shù)支持。

K2-Pro是靈活可擴展處理芯片

雖然DPU出現(xiàn)時間不長，但是它的潛力在加速顯現(xiàn)。隨著更多業(yè)務(wù)向DPU轉(zhuǎn)移，以及協(xié)議迭代和任務(wù)類型的增加，DPU的擴展能力成為關(guān)鍵。因此，K2-Pro芯片在三個維度上實現(xiàn)了獨特性的可擴展性設(shè)計，讓業(yè)務(wù)與同構(gòu)算力、異構(gòu)算力靈活擴展：

可編程與卸載能力：K2-Pro自身不僅配備了高性能的可編程引擎，還融入了協(xié)議分析引擎（PPP）與通用算法引擎（CAE），確保了對不斷演進的協(xié)議和復(fù)雜算法的有效支持。中科馭數(shù)在金融領(lǐng)域做過一個嘗試，通過全面卸載特定的金融通信協(xié)議和業(yè)務(wù)算法至DPU，性能相比現(xiàn)有方案提升了十倍以上，刷新了行業(yè)認知。

芯片級聯(lián)與算力自由擴展：為滿足日益增長的算力需求，中科馭數(shù)創(chuàng)新設(shè)計了DPU間的高速互聯(lián)技術(shù)，支持芯片級聯(lián)，使多個DPU能夠無縫串聯(lián)，實現(xiàn)DPU算力自由擴展。這一方案與行業(yè)標準接軌，為大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的算力部署提供了高效路徑。舉例而言，通過多芯互聯(lián)，能夠輕松部署高性能的NAT網(wǎng)關(guān)解決方案，為數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級和業(yè)務(wù)擴展打開了新的可能性。

開放的外接算力集成策略：K2-Pro還致力于與其他類型算力芯片的協(xié)同工作，提供了多元化的集成方案，既展現(xiàn)了DPU在構(gòu)建綜合性解決方案中的靈活性，也預(yù)示著未來將有更多跨領(lǐng)域的創(chuàng)新合作案例涌現(xiàn)，進一步拓寬DPU的應(yīng)用邊界。如中科馭數(shù)在與安全芯片廠商的合作中，共同打造了處理能力達到百Gbps級別的安全解決方案。

K2-Pro是穩(wěn)如磐石的“管理”芯片

DPU在一般認知中常被視作輔助或“副手”角色，負責任務(wù)卸載，然而實際上，它在數(shù)據(jù)中心扮演著更為關(guān)鍵的主角身份。DPU不僅參與虛機的生命周期管理、資源調(diào)配等核心任務(wù)，還必須保證全天候穩(wěn)定運行，是數(shù)據(jù)中心最中心的處理核心。

中科馭數(shù)對穩(wěn)定性給予了高度重視，對K2-Pro進行了深度優(yōu)化：納秒至毫秒級的分級異?；謴?fù)機制確?？焖夙憫?yīng)；系統(tǒng)與核心間的異常隔離設(shè)計，即使內(nèi)部模擬攻防，也能維持運行不中斷。配備的實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對芯片內(nèi)每個數(shù)據(jù)包、每個子系統(tǒng)的狀態(tài)進行不間斷監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在問題，實現(xiàn)了芯片內(nèi)每個環(huán)節(jié)的全天候精準監(jiān)控。截至目前，這種級別的監(jiān)測精細度和系統(tǒng)穩(wěn)定性在同類DPU產(chǎn)品中尚屬罕見。

K2-Pro是極致能效比的網(wǎng)絡(luò)芯片

能耗考驗也是DPU在設(shè)計時面臨著的又一大難題。盡管DPU承擔的任務(wù)遠超傳統(tǒng)網(wǎng)卡，但在服務(wù)器架構(gòu)中，其安裝位置和功耗預(yù)算仍舊受限，類似于網(wǎng)卡的配置要求。鑒于此，中科馭數(shù)團隊深知，要想實現(xiàn)DPU的廣泛應(yīng)用，必須在能效比上取得突破。

中科馭數(shù)不僅采用了諸多成熟的低功耗技術(shù)，更從應(yīng)用層面進行了深度優(yōu)化，通過精細的電源管理策略，實現(xiàn)了在不影響性能的前提下，對芯片面積和運行頻率的精準調(diào)控，這一過程雖充滿挑戰(zhàn)，近乎苛刻，卻也體現(xiàn)了團隊對技術(shù)極限的不懈追求。最終，DPU在多種應(yīng)用場景下展現(xiàn)出了顯著的能效優(yōu)勢，相比上一代功耗降低30%，與國際DPU產(chǎn)品相比也有更為出色的能效表現(xiàn)，為DPU的大規(guī)模部署奠定了堅實的能效基礎(chǔ)。

中科馭數(shù)高級副總裁、CTO盧文巖博士表示，正是我們堅持自主研發(fā)，突破技術(shù)壁壘，我們才能開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的KPU架構(gòu)與KISA指令集，為DPU領(lǐng)域貢獻了我們的創(chuàng)新成果；正是這份對六個關(guān)鍵領(lǐng)域“死磕到底”的決心，我們才能在造“芯”路上厚積薄發(fā)，見證這個數(shù)據(jù)中心“六邊形戰(zhàn)士”的誕生；也正是我們堅持技術(shù)與市場的緊密結(jié)合，將量產(chǎn)與應(yīng)用視為同等重要，我們才能見證K2-Pro成為了一款真正可落地、可推廣的高性能DPU芯片。相信K2-Pro的問世，將會是數(shù)據(jù)中心算力技術(shù)革新的重要里程碑。期待見到它走向各行各業(yè)，未來在數(shù)據(jù)中心乘風揚帆，在算力征途上破浪前行！

審核編輯 黃宇