云計算發(fā)展挑戰(zhàn)：IPU的架構(gòu)與技術(shù)優(yōu)勢解析

日耳曼神話中，有一種名叫戈蘭林(Gremlin)的小精靈。傳說這種精靈熟悉各種工具和機械，可以幫助能工巧匠完成種種工作，還可以提升工匠的技術(shù)，啟迪他們的發(fā)明精神。很多時候，工匠們的傳統(tǒng)方式方法到達一定瓶頸，就會祈禱小精靈出現(xiàn)，能夠幫助他們解決難題。 ? 在我們這個時代，數(shù)據(jù)中心就是偉大的工匠，肩負著為千行百業(yè)打造計算、智能基礎(chǔ)設(shè)施的重任。當(dāng)數(shù)據(jù)重心遇到了工作瓶頸，可能也需要精靈加入到他們的工作中。 ? 近日，英特爾攜手百度智能云，發(fā)布了《為基礎(chǔ)設(shè)施提供加速引擎 助力塑造未來數(shù)據(jù)中心》英特爾IPU平臺解決方案白皮書，主要解析了英特爾IPU架構(gòu)的功能和應(yīng)用，以及如何與百度智能云通力合作打造其全新DPU架構(gòu)，幫助云數(shù)據(jù)中心充分釋放算力，全面賦能云服務(wù)創(chuàng)新。 ? ?

? AI與大數(shù)據(jù)時代，云數(shù)據(jù)中心走向計算架構(gòu)變革成為當(dāng)務(wù)之急。英特爾IPU的發(fā)布與實踐，可以保持基礎(chǔ)設(shè)施高性能、高利用率的同時，實現(xiàn)更靈活地資源調(diào)配，并使云服務(wù)提供商能更快地轉(zhuǎn)向完全虛擬化存儲和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而極大滿足云數(shù)據(jù)中心的升級需求。 ? 在白皮書當(dāng)中，我們可以通過云計算中心的發(fā)展與挑戰(zhàn)-IPU的架構(gòu)與技術(shù)優(yōu)勢解析-英特爾與百度智能云攜手進行的實踐，三個維度來審視IPU的發(fā)展藍圖與價值期待。 ? 數(shù)據(jù)中心里，小精靈正待起舞。 ?

云數(shù)智變革：數(shù)據(jù)中心的壓力與瓶頸

云時代正在蓬勃發(fā)展，全新的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革正醞釀在云計算產(chǎn)業(yè)中。對于云服務(wù)商來說，企業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用對云數(shù)據(jù)中心既有能力提出更高需求。隨著 5G、AI、邊緣計算等前沿技術(shù)在更多行業(yè)獲得落地應(yīng)用，企業(yè)級云服務(wù)出現(xiàn)了許多新的變化與趨勢。比如說： ? 更呈分布式的云服務(wù)部署：邊緣計算等技術(shù)的發(fā)展推動著云服務(wù)由傳統(tǒng)的中心云逐漸向“云邊端”協(xié)同演進，更多云服務(wù)被部署在貼近應(yīng)用的邊緣端； ? 更為廣泛的云服務(wù)應(yīng)用場景：云服務(wù)正成為更多行業(yè)的 IT 基礎(chǔ)設(shè)施之一，在智能制造、智慧零售、云游戲等新業(yè)態(tài)中作為主力，支撐企業(yè)的數(shù)字化、智能化創(chuàng)新。

在這些變化的推動，云數(shù)據(jù)中心服務(wù)器在管理與應(yīng)用上面臨更多挑戰(zhàn)。 ? 例如更多虛擬機（Virtual Machine，VM）的部署使虛擬機管理等管理任務(wù)變得更加復(fù)雜。同時，其能力輸出也逐漸從傳統(tǒng)單體式應(yīng)用向微服務(wù)化發(fā)展，這也進一步提高了云數(shù)據(jù)中心管理任務(wù)的復(fù)雜程度，進而占用大量處理器資源。 ? 既要對虛擬機、微服務(wù)等開展高效管理，又要對相關(guān)的云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)、存儲等基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)加速，其中的復(fù)雜性和資源開銷水平不斷增加，傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)已經(jīng)很難滿足未來數(shù)據(jù)中心要求。 ? 隨著微服務(wù)模型越來越多地用于云數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用、存儲和網(wǎng)絡(luò)工作負載。可以預(yù)測的是，未來數(shù)據(jù)中心需要進行以下方面的轉(zhuǎn)型和升級： ? 1、云原生應(yīng)用的出現(xiàn)和快速增長推高了對專用基礎(chǔ)設(shè)施的需求，并大幅提高云服務(wù)的敏捷性以及云數(shù)據(jù)中心的效率。

2、云服務(wù)的微服務(wù)化，推動了分布式異構(gòu)計算環(huán)境的發(fā)展，而每個微服務(wù)都應(yīng)在更適合其的加速節(jié)點上運行。

3、微服務(wù)模型的廣泛采用也催生出數(shù)據(jù)中心編排系統(tǒng)，使各異構(gòu)計算服務(wù)器之間實現(xiàn)微服務(wù)分發(fā)的自動化及管理。

4、使用微服務(wù)、虛擬機、容器以及容器編排的場景不斷增加，推動了服務(wù)網(wǎng)格的開發(fā)。服務(wù)網(wǎng)格能夠簡化微服務(wù)到微服務(wù)的通信，并使其更加高效。服務(wù)網(wǎng)格已經(jīng)成為云原生堆棧的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。 ? 因此，未來數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)將更多地面向于微服務(wù)且日益分散的應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計，以此來更好利用異構(gòu)計算帶來的加速處理能力。整體而言，未來數(shù)據(jù)中心架構(gòu)需要面向微服務(wù)與分散應(yīng)用環(huán)境設(shè)計，通過異構(gòu)計算的方式來使數(shù)據(jù)中心算力設(shè)施各司其職，適應(yīng)分布式部署的特點和需求，以此來應(yīng)對云時代的產(chǎn)業(yè)升級壓力。 ? 這種情況下，IPU的誕生與發(fā)展就成為了順理成章的事情。 ?

精靈起舞：IPU為數(shù)據(jù)中心獻上時代之變

數(shù)據(jù)中心在目前階段必須要完成新的升級與演變，尤其要有新的計算機構(gòu)出現(xiàn)。未來的數(shù)據(jù)中心，需要實現(xiàn)大規(guī)模分布式異構(gòu)計算協(xié)同工作、無縫連接。尤其是處理基礎(chǔ)設(shè)施加速的計算單元可以有效負載分擔(dān)CPU的工作，對于數(shù)據(jù)中心效率提升至關(guān)重要。 ? 2021年，英特爾推出了基礎(chǔ)設(shè)施處理器(IPU)。作為一種可編程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，英特爾IPU能夠助力云和通信服務(wù)提供商以及企業(yè)提高安全性、節(jié)約開銷并充分釋放中央處理器（CPU）的性能。借助英特爾IPU平臺，數(shù)據(jù)中心可以通過安全、穩(wěn)定、可編程的解決方案更好地釋放計算資源，并實現(xiàn)更高的安全性和隔離性。IPU這個幫助數(shù)據(jù)中心釋放算力的小精靈，可以為云數(shù)據(jù)中心的微服務(wù)創(chuàng)新帶來多項優(yōu)勢。

圖示：英特爾IPU架構(gòu) ? 作為全新的產(chǎn)品形態(tài)。英特爾IPU在涵蓋智能網(wǎng)卡功能的同時，更能為未來云數(shù)據(jù)中心帶來更高級別的安全性和控制力。其優(yōu)勢包括： ? 1、減少了主機側(cè)處理器中虛擬機管理程序和基礎(chǔ)設(shè)施堆棧的開銷，使更多的處理器資源可用于應(yīng)用和租戶工作負載。

2、從主機側(cè)處理器中卸載了存儲堆棧，從而為應(yīng)用和租戶工作負載釋放更多處理器資源。

3、卸載了高密集的基礎(chǔ)設(shè)施任務(wù)，如加密和解密以及數(shù)據(jù)包處理。

4、在極端情況下，英特爾IPU可以卸載整個虛擬機管理程序，釋放 處理器所有內(nèi)核為應(yīng)用和微服務(wù)提供支持，這對于裸金屬服務(wù)產(chǎn)品來說至關(guān)重要。

5、為裸金屬和云主機統(tǒng)一云管控創(chuàng)造了可能。 ? 從技術(shù)架構(gòu)角度思考, 英特爾IPU能夠為云數(shù)據(jù)中心帶來一系列發(fā)展優(yōu)勢，是因為數(shù)據(jù)中心能夠有效地將網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全以及基礎(chǔ)設(shè)施管理等多種能力從處理器卸載到 英特爾IPU，從而實現(xiàn)算力釋放，并加速多種基礎(chǔ)設(shè)施能力。這些能力包括： ? 1、網(wǎng)絡(luò)加速：將承載網(wǎng)絡(luò) I/O、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能的虛擬交換機軟件，如 OVS 等從主機側(cè)處理器卸載到 IPU，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少網(wǎng)絡(luò)處理時延。

2、存儲加速：將 virtio-blk、NVMe-oF 等存儲接口、協(xié)議棧從主機側(cè)處理器轉(zhuǎn)移到 IPU，提高存儲彈性和靈活性，并降低系統(tǒng)復(fù)雜性和開銷。

3、安全加速：從主機側(cè)處理器卸載大量加密/解密、壓縮和其他安全功能。

4、基礎(chǔ)設(shè)施處理：將云服務(wù)管理功能從主機側(cè)處理器卸載到英特爾 IPU，使虛擬機、容器或裸金屬服務(wù)的分配和管理更為高效。 ?

圖示：英特爾IPU面向不同基礎(chǔ)功能卸載的場景 ? 除了引入性能更強、且具備靈活可編程特性的硬件來面向特定功能進行優(yōu)化加速，釋放更多寶貴算力之外，英特爾也賦予了 IPU 產(chǎn)品豐富的軟件生態(tài)。目前，英特爾正以加速開發(fā)平臺(Acceleration Development Platform，ADP)為抓手，通過更優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建，助力合作伙伴實現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心性能加速解決方案的快速開發(fā)和部署。在規(guī)劃中，ADP 平臺將為用戶提供通過英特爾開放式 FPGA 堆棧（英特爾OFS）實現(xiàn)的板卡硬件設(shè)計、軟件、驅(qū)動程序以及技術(shù)設(shè)計支持。用戶可以利用這些軟件工具與技術(shù)支持，加速 IPU 相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，并迅速將產(chǎn)品推向市場。 ? 此外，需要注意的是處理器是數(shù)據(jù)中心的心臟。將英特爾IPU納入云數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，可以有效發(fā)揮其與處理器之間的系統(tǒng)能力與平臺化價值。通過對接英特爾至強可擴展處理器，英特爾IPU能夠有效提升云數(shù)據(jù)中心算力，充分釋放異構(gòu)算力。 ? 在英特爾為用戶提供的高效能云數(shù)據(jù)中心生態(tài)方案中，不僅可以通過 IPU 開展能力卸載，對基礎(chǔ)設(shè)施進行性能加速，也可以引入英特爾至強可擴展處理器來進一步加強算力。通過對算力的“開源節(jié)流”，實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)處理速度、更大的帶寬接入能力以及更低的網(wǎng)絡(luò)時延。 ? 第三代英特爾至強可擴展處理器能夠為服務(wù)器帶來的性能增強包括：

1、更多的內(nèi)核、更優(yōu)的架構(gòu)帶來算力性能的大幅提升，可有效應(yīng)對高密度計算所需。

2、支持更多內(nèi)存，支持 PCIe-Gen4，可實現(xiàn)更高的每核 I/O 帶寬。

3、多項內(nèi)置加速技術(shù)，如英特爾深度學(xué)習(xí)加速技術(shù)（英特爾DL Boost）等可在人工智能等場景提供強大加速能力。 ? 在算力架構(gòu)中引入英特爾至強可擴展處理器的另一個優(yōu)勢是能夠有效提升能力卸載的效率和平滑性。由于主機側(cè)和 IPU 都采用基于英特爾架構(gòu)的處理器，就能夠非常方便地將主機側(cè)運行應(yīng)用遷移到 IPU ，甚至無需編譯即可遷移，大幅提升開發(fā)、部署和測試的效率。 ? 在基于IPU帶來的一系列價值之下，云數(shù)據(jù)中心可以持續(xù)邁向微服務(wù)創(chuàng)新時代，打通未來數(shù)據(jù)中心之路。 ?

助力巧匠：百度智能云的先驅(qū)探索

在白皮書中，我們可以看到英特爾IPU與百度智能云的合作案例與行業(yè)示范價值。從雙方合作中可以看出，百度智能云成功實現(xiàn)了提升服務(wù)器效率，提升安全水平，降低算力綜合成本等價值。 ? 在云與AI帶來的數(shù)智化大潮中，云服務(wù)持續(xù)向各個領(lǐng)域延伸，并承載越來越多核心業(yè)務(wù)能力。這也導(dǎo)致云計算服務(wù)商正面臨著需要更強算力資源、更大帶寬接入和更低網(wǎng)絡(luò)時延的挑戰(zhàn)。與此同時，云服務(wù)品牌也需要從計算架構(gòu)革新中獲得價值，來確保自身的競爭優(yōu)勢。為此，百度智能云提出云智一體戰(zhàn)略，大力發(fā)展AI云業(yè)務(wù)。而AI云服務(wù)帶來的算力需求指數(shù)級提升。面向未來的元宇宙等需求，算力釋放還將面臨更多挑戰(zhàn)。 ? 在這一進程中，百度智能云借助英特爾FPGA 與英特爾至強D處理器帶來的高效軟硬件可編程的加速，首次推出了自研 DPU 設(shè)備——百度太行 DPU1.0。其支持太行彈性裸金屬服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)卸載、PCIe 設(shè)備熱插拔等功能，讓云計算的虛擬化開銷很大程度沉淀在網(wǎng)卡上，使云產(chǎn)品的性能大大提升。目前，太行 DPU1.0 產(chǎn)品已在太行彈性裸金屬等多種云服務(wù)場景中開展應(yīng)用，并獲得了用戶的良好評價。實踐證明，百度自主研發(fā)的百度太行 DPU1.0 可以有效解決云數(shù)據(jù)中心管理及虛擬化的局限性。 ? 百度太行 DPU1.0 產(chǎn)品配備了 2 個 25G 帶寬的光口，并引入英特爾的FPGA 與英特爾至強D處理器作為算力核心，來實現(xiàn)了各項虛擬化功能的卸載，在為用戶提供彈性網(wǎng)卡、彈性存儲能力之余，還支持 1024 個設(shè)備的熱插拔。同時，通過將云管控平面卸載到百度太行 DPU1.0 中，實現(xiàn)虛擬云主機和裸金屬共池，即裸金屬可與虛擬云主機被統(tǒng)一靈活調(diào)度。來自百度智能云的測試驗證表明，百度太行DPU1.0 產(chǎn)品能夠為用戶提供 1000 萬 PPS 的轉(zhuǎn)發(fā)率以及 20 萬 IOPS 的存儲性能。 ?

? 面向未來，DPU 產(chǎn)品也將成為智能云服務(wù)的核心組件，助力IaaS資源的統(tǒng)一彈性底座，進而為用戶依托百度智能云開展各類業(yè)務(wù)創(chuàng)新、實施產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型提供可靠保證。 ? IPU帶來的架構(gòu)革新，可以從基座層確保算力最大化釋放，釋放數(shù)據(jù)中心的核心競爭優(yōu)勢。從2016年開始，“互聯(lián)網(wǎng)下半場”開始成為被廣泛討論的命題。如今，在規(guī)?；偁庍M入收尾階段，技術(shù)創(chuàng)新與精細化服務(wù)成為主要競爭點的階段，“云計算下半場”似乎也已經(jīng)到來。 ? 在這一產(chǎn)業(yè)周期，云計算服務(wù)商的競爭力不僅在于基礎(chǔ)設(shè)施性價比，而是要面向客戶提供服務(wù)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新以及綜合價值。這種情況下，云計算數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)架構(gòu)創(chuàng)新變得至關(guān)重要。它既是算力集約化的保障，也是業(yè)務(wù)創(chuàng)新的基石。 ? 隨著英特爾 IPU 以及基于其參考設(shè)計研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品，在云數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)架構(gòu)革新中展現(xiàn)出顯著性能優(yōu)勢和市場價值，并逐步形成可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)鏈，英特爾與百度智能云等深度合作伙伴也正圍繞云服務(wù)的未來發(fā)展方向，從軟硬件層面開拓更多優(yōu)化方案。

例如通過新的英特爾IPU 平臺提供更大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，實現(xiàn)對硬件資源的全面解耦，以及以極低時延實現(xiàn)端到端的加速等。 ? 面向未來，英特爾計劃在 IPU 產(chǎn)品體系上持續(xù)發(fā)力。英特爾在 2022 年推出兩款第二代 200 G 的可編程 IPU, 代號分別為“Oak Springs Canyon”和“Mount Evans”。其中Oak Springs Canyon 搭載了英特爾至強D 處理器與英特爾Agilex FPGA 芯片。而Mount Evans 則是英特爾首款基于ASIC 芯片的IPU產(chǎn)品。這兩款產(chǎn)品都將具有卸載 200 G工作負載所需的基礎(chǔ)設(shè)施加速能力，且都可與英特爾至強可擴展處理器協(xié)同工作。未來兩到三年內(nèi)，英特爾將推出支持 400 G的 IPU產(chǎn)品，并且再2025年或晚些時候，推出新一代基于 FPGA 芯片和 ASIC 芯片的 800G IPU 產(chǎn)品。 ? 與此同時，英特爾也正進一步背靠豐富的開源軟件（如基礎(chǔ)架構(gòu)編程人員開發(fā)套件（International Package and Development Kit ，IPDK）、SPDK、DPDK 等），致力于通過開放的生態(tài)系統(tǒng)、多方位的行業(yè)協(xié)作以及積極的社區(qū)互動，讓百度等云服務(wù)提供商、云服務(wù)最終用戶以及其它合作伙伴能加速 IPU 相關(guān)解決方案的構(gòu)建，從云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的持續(xù)革新中擷取更大價值。 ? 未來數(shù)據(jù)中心正在加速到來，而IPU正在成為其中翩然起舞的精靈。
編輯：黃飛