以DPU為中心的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

著眼于數(shù)據(jù)中心的技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)，DPU 作為通用的數(shù)據(jù)處理器，它不是對 NIC/SmartNIC 的簡單替代，而是對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的本質(zhì)改變。DPU 本身所具有的通用層級化可編程性、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一管控的特性使得 DPU 正在促進(jìn)新一代數(shù)據(jù)中心從架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和重構(gòu)。DPU 作為通用數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)部件，將卸載原本運(yùn)行在CPU、GPU中的通用數(shù)據(jù)處理任務(wù)，釋放CPU、GPU 的算力，支撐 CPU、GPU 發(fā)揮更大的效能。 ?

“云計(jì)算通用可編程DPU發(fā)展白皮書（2023年）”白皮書通過闡明和分析 DPU 發(fā)展的過程與現(xiàn)狀，指出哪些 DPU 特性是解決上述核心問題的關(guān)鍵點(diǎn)，從而推動(dòng) DPU 技術(shù)的深入發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)完整的生態(tài)鏈建設(shè)和產(chǎn)業(yè)落地。 ?

關(guān)于DPU技術(shù)應(yīng)用及技術(shù)原理，請參看文章“DPU技術(shù)原理、算力效率及應(yīng)用場景解析”和“主流DPU架構(gòu)實(shí)現(xiàn)及技術(shù)對比”、“DPU性能基準(zhǔn)：測評框架與測試流程介紹（2022）”以及“DPU全球格局，國內(nèi)5家崛起（2023）”。

? 重點(diǎn)分析了DPU需具備的通用可編程特性和各種應(yīng)用場景，同時(shí)分析了傳統(tǒng)DPU的局限性。近些年，由于業(yè)界沒有優(yōu)異和成熟的商用DPU SoC (System on a chip)方案，各大云廠商只能各自研發(fā)基于CPU+FPGA的DPU方案，導(dǎo)致DPU被誤解為是個(gè)碎片化的市場，DPU對云計(jì)算的作用及潛力沒有被業(yè)界正確認(rèn)識。

在“十四五”規(guī)劃明確指出加快推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)后，東數(shù)西算工程和運(yùn)營商算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)如約而至。數(shù)字經(jīng)濟(jì)的背后，云計(jì)算是最核心的算力底座。在云計(jì)算里面，DPU已成為基礎(chǔ)設(shè)施最核心的部件之一。 ? 數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，云計(jì)算不斷滲透進(jìn)入各行各業(yè)。中國移動(dòng)作為云計(jì)算“國家隊(duì)”，正在加大投入，全力支持政府與國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，降本增效，并為國有數(shù)據(jù)安全保駕護(hù)航。在該白皮書中，云豹智能作為中國移動(dòng)唯一邀約參編企業(yè)，是國內(nèi)DPU芯片頭部企業(yè)，也是國內(nèi)已知真正能做到高性能通用可編程DPU SoC的芯片公司。該白皮書的聯(lián)合發(fā)布，代表著中國移動(dòng)和云豹智能在DPU領(lǐng)域的深度合作，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，為國家云基礎(chǔ)架構(gòu)及DPU的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

以DPU為中心的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) ?

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬逐步從25Gbps向100Gbps、200Gbps、400Gbps乃至更高的帶寬演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理占用的CPU算力資源也在不斷地增大，甚至?xí)幸话胍陨蠒?huì)消耗在這些基礎(chǔ)設(shè)施的功能上，因此迫切需要一種新型處理器來減少對云主機(jī)CPU的消耗。DPU是以數(shù)據(jù)處理為中心，提供數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的通用處理器，是繼CPU、GPU之后的“第三顆主力芯片”，可以卸載及加速網(wǎng)絡(luò)和存儲，同時(shí)具備安全和管控等基礎(chǔ)功能，釋放更多的算力資源供客戶使用。在云計(jì)算與數(shù)據(jù)中心場景下，如果需要進(jìn)一步提升算力與發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施效能，譬如動(dòng)態(tài)和彈性地調(diào)度算力、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源，那么DPU是必須的，且是不可替代的。

目前，國內(nèi)云廠商大部分還是基于CPU+FPGA的DPU解決方案，這些方案在研發(fā)投入上擁有一定的時(shí)間優(yōu)勢，但因其功耗過高及性能受到限制，并未達(dá)到新一代云計(jì)算的要求。另外，由于FPGA基本被國外兩大芯片巨頭壟斷，其高昂的價(jià)格也直接導(dǎo)致了產(chǎn)品成本居高不下，影響市場競爭力。

DPU SoC的產(chǎn)品是前者迭代的終極形態(tài)，需具備超高的異構(gòu)芯片技術(shù)，通用可編程等特性，連同先進(jìn)的芯片工藝，才能夠滿足更復(fù)雜、更廣泛、更高性能的應(yīng)用需求。目前，國外芯片巨頭和頭部云服務(wù)商都選擇了通用DPU SoC的產(chǎn)品路線，因?yàn)橄鄬τ贑PU+FPGA的方案，DPU SoC 有4到8倍性價(jià)比的提升。

各云廠商都在尋找最佳方案來提升各自的利潤和競爭力，因?yàn)榱私獾紺PU+FPGA并不是一個(gè)長遠(yuǎn)能滿足新一代云計(jì)算的方案，所以都在期待一款有競爭力、易用及高性價(jià)比的DPU SoC出現(xiàn)。

美國的亞馬遜云(AWS)不僅占據(jù)全球云計(jì)算市場最高份額，而且多年前已最先實(shí)現(xiàn)了DPU SoC(AWS稱之為Nitro)商業(yè)化的成功部署。AWS在使用自研的DPU SoC后，每年售賣每臺服務(wù)器的算力資源可以多獲得幾千美元的收益。AWS擁有幾百萬臺服務(wù)器的體量，因此DPU帶來AWS的收益是巨大的。DPU在AWS中的成功應(yīng)用，受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，并吸引了越來越多的芯片巨頭涌入DPU賽道。Nvidia于2020年以69億美元成功收購了業(yè)內(nèi)知名網(wǎng)絡(luò)芯片和設(shè)備公司Mellanox，通過融合Mellanox的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，快速面向全球數(shù)據(jù)中心市場推出BlueField系列的DPU SoC。AMD于2022年以19億美元收購了DPU SoC廠商Pensando。而國內(nèi)的云廠商也正在尋求從FPGA架構(gòu)到通用可編程DPU SoC演變的技術(shù)方案。

正是在這樣的背景下，中國移動(dòng)聯(lián)合信通院和云豹智能發(fā)布了《云計(jì)算通用可編程DPU發(fā)展白皮書（2023年）》。深度解析了DPU的發(fā)展趨勢：通用可編程、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一資源管理。同時(shí)介紹了通用可編程DPU SoC在數(shù)據(jù)中心、運(yùn)營商、異構(gòu)計(jì)算等多種不同的應(yīng)用場景。

國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，服務(wù)器正在從25G向100G及更高帶寬發(fā)展，并且應(yīng)用部署的復(fù)雜度持續(xù)增高，不但要支持虛擬機(jī)、容器的應(yīng)用管理部署，也需要支持裸金屬應(yīng)用。DPU作為數(shù)據(jù)中心的核心基礎(chǔ)設(shè)施部件，要具備靈活的編程能力、數(shù)據(jù)的高吞吐能力和統(tǒng)一管控的能力，才能滿足當(dāng)前各種云計(jì)算業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)中心發(fā)展的需求。

根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)觀察的了解，目前云豹智能是國內(nèi)已知真正能做到自研高性能DPU SoC的芯片公司，其產(chǎn)品也將是國內(nèi)第一款通用可編程DPU SoC芯片。不僅提供高達(dá)400G的數(shù)據(jù)吞吐能力，還搭載性能強(qiáng)勁的CPU處理單元并配合多種可編程的數(shù)據(jù)處理引擎實(shí)現(xiàn)層級化可編程能力。根據(jù)該白皮書的描述，云豹智能在DPU的多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域掌握并引領(lǐng)著多項(xiàng)核心技術(shù)：

可編程高性能網(wǎng)絡(luò)處理技術(shù)

可編程低時(shí)延RDMA技術(shù)

DDP(Data Direct Path)數(shù)據(jù)直通技術(shù)

安全計(jì)算體系

云豹智能DPU SoC支持裸金屬、虛擬機(jī)和容器統(tǒng)一運(yùn)維和管控，提供彈性網(wǎng)絡(luò)和存儲、虛擬化管理和安全等一站式解決方案，極大地提升云服務(wù)商的服務(wù)質(zhì)量和業(yè)務(wù)靈活性，降低整體投入，引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心向算網(wǎng)融合持續(xù)演進(jìn)。

中國移動(dòng)作為支持國家數(shù)字經(jīng)濟(jì)的主要云服務(wù)商，在這白皮書給出了明確的答案，DPU SoC是云計(jì)算的關(guān)鍵部件，通用可編程的DPU SoC可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的算力、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源的經(jīng)濟(jì)高效卸載和管理。也明確分析了DPU SoC需具備的關(guān)鍵特性：層級化可編程性、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一管控以及適應(yīng)持續(xù)發(fā)展的加速卸載，是云廠商推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向高效率、高擴(kuò)展、高帶寬、高靈活性發(fā)展的重要技術(shù)支撐。同時(shí)，也是各云廠商正在積極研究及探尋的DPU技術(shù)的發(fā)展方向。

編輯：黃飛

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