被稱(chēng)為數據中心“第三顆主力芯片”，DPU憑什么？

2021年10月至今，中科院計算所面向全行業(yè)先后發(fā)布了《專(zhuān)用數據處理器（DPU）技術(shù)白皮書(shū)》和《專(zhuān)用數據處理器（DPU）性能基準評測方法與實(shí)現》，兩份白皮書(shū)較為全面地解釋了，DPU為何被定義為數據中心發(fā)展的顛覆性技術(shù)。

在DPU性能基準評測白皮書(shū)里，闡述了DPU在網(wǎng)絡(luò )、存儲、計算和信息安全四個(gè)領(lǐng)域的評測和實(shí)現方法，這也是DPU釋放潛能的四大領(lǐng)域，同時(shí)它們恰恰又是數據中心的關(guān)鍵環(huán)節。因此，DPU、CPU、GPU被稱(chēng)為算力經(jīng)濟時(shí)代的三駕馬車(chē)，DPU成為數據中心領(lǐng)域“第三顆主力芯片”。此外，智能駕駛、數據通信、網(wǎng)絡(luò )安全等也是DPU的目標應用領(lǐng)域。根據賽迪網(wǎng)的估算，從2023年開(kāi)始全球DPU市場(chǎng)規模將突破百億美元，后續年增長(cháng)率超50%。

圖源：賽迪網(wǎng)

這就是為什么英偉達CEO黃仁勛在發(fā)布該公司首款DPU產(chǎn)品時(shí)要著(zhù)重強調，“這只是一個(gè)開(kāi)始?！蹦壳?，不僅英偉達等產(chǎn)業(yè)巨頭在緊盯DPU賽道，井芯微電子等初創(chuàng )公司也脫穎而出，展現出非凡的技術(shù)實(shí)力，產(chǎn)品獲得行業(yè)認可。

DPU是什么？

要想知道DPU為什么熱，那么首先就要搞清楚，DPU到底是什么？

DPU的英文全稱(chēng)為Data Processing Unit，直譯過(guò)來(lái)就是數據處理單元，也被一些從業(yè)者稱(chēng)為數據中心處理器。 DPU以數據為中心，核心作用是做數據加速處理，幫助系統解決CPU處理效率低，GPU又無(wú)法處理的負載。

根據DPU技術(shù)白皮書(shū)，DPU處理的數據和傳統DSP、基帶處理器等處理器處理的“信號”，以及GPU處理的圖形圖像類(lèi)數據不同，DPU處理的數據是更加靠近底層架構、數字化的各種信息，特別是各種時(shí)序化、結構化的數據，比如大型的結構化表格，網(wǎng)絡(luò )流中的數據包，海量的文本等等。

DPU架構參考設計

圖源：DPU技術(shù)白皮書(shū)

DPU潛力巨大

不難發(fā)現，DPU是以解決數據中心發(fā)展瓶頸為第一出發(fā)點(diǎn)而提出的，是數據中心用服務(wù)器走向異構計算的最大受益者。隨著(zhù)數據中心市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，DPU在該領(lǐng)域的潛力巨大。

以中國市場(chǎng)為例，數據中心第一波浪潮于2014年-2015年拉開(kāi)帷幕，主要服務(wù)于當時(shí)快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)，當時(shí)國內出現了很多數據交易所。從具體特征來(lái)看，數據中心第一波浪潮是以計算為核心，然而很快以CPU為主要算力平臺的方式便出現了瓶頸，且CPU在資源管理方面普遍存在20%-30%的算力資源浪費，這就帶來(lái)了算力提升的無(wú)力感。

數據中心第二波浪潮開(kāi)始于2020年，也就是人們所說(shuō)的“DPU元年”，其中最明顯的變化是數據中心不再強調計算中心和算力中心的概念，而是回歸以數據為中心的本質(zhì)。在這個(gè)過(guò)程中，云和應用算法的種類(lèi)都愈發(fā)豐富多樣，提升數據處理效率當然還是主要目標，不過(guò)給CPU減負以增強系統調度能力也是一個(gè)大方向。

從“以計算為中心”到“以數據為中心”是巨大的觀(guān)念轉變，DPU得以從眾多協(xié)處理器中脫穎而出。作為數據處理的專(zhuān)用引擎，未來(lái)不斷豐富的DPU產(chǎn)品類(lèi)型將使得CPU回歸自己擅長(cháng)的領(lǐng)域——統籌全局和任務(wù)調度，釋放CPU的算力到上層應用，DPU將化身為新的系統網(wǎng)關(guān)、存儲入口、算法加速沙盒以及安全引擎。

從下圖能夠看出，在以數據為中心的數據中心框架下，DPU可謂是無(wú)處不在。

傳統云計算基礎設施與以數據為中?的數據中?架構對?

圖源：DPU技術(shù)白皮書(shū)

當然，DPU想要在數據中心領(lǐng)域兌現潛能也需要克服一些挑戰。首先，在硬件層面DPU的產(chǎn)品種類(lèi)需要足夠豐富，如上所述，需要在網(wǎng)絡(luò )、存儲、計算和信息安全四大維度對CPU進(jìn)行全面卸載，同時(shí)不同廠(chǎng)商的DPU產(chǎn)品需要遵循通用的標準，并在整體方案上體現總擁有成本優(yōu)勢；在軟件層面，當前CPU和GPU在數據中心的應用均具有標準的軟件框架，實(shí)現了軟硬件解耦，DPU加入后，這也是一個(gè)長(cháng)期且具有挑戰的工作。

上述內容已經(jīng)提到，DPU的終端應用場(chǎng)景絕不僅僅是在數據中心，在智能駕駛、數據通信、網(wǎng)絡(luò )安全等領(lǐng)域，DPU也有廣闊的應用前景。

比如在通信領(lǐng)域，基于DPU實(shí)現的?絡(luò )功能虛擬化可應用于5G 邊緣計算UPF，提升5G通信在垂直行業(yè)的高速和大帶寬能力；在網(wǎng)絡(luò )安全領(lǐng)域，DPU可助力打造硬件信任根，并能夠以完全卸載的方式實(shí)現隔離?絡(luò )虛擬化，與主機操作系統相隔離，使用戶(hù)免受黑客攻擊；在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，DPU提供的各種虛擬化功能，可以更好地幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)現“軟件定義汽車(chē)”。

國產(chǎn)DPU助力中國“新基建”

DPU已經(jīng)打開(kāi)了一個(gè)大的產(chǎn)業(yè)化趨勢，我國“新基建”戰略中的各領(lǐng)域將率先受益，加速數字化轉型。同時(shí)，“新基建”和“東數西算”也將在數據和算力層面帶來(lái)強勁需求，再加上國家在5G和自動(dòng)駕駛等產(chǎn)業(yè)的宏大布局，國產(chǎn)DPU未來(lái)發(fā)展前景明朗。

緊抓DPU產(chǎn)業(yè)的中國芯機遇，井芯微電子技術(shù)（天津）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：井芯微）雖然還是一家年輕的初創(chuàng )企業(yè)，但是在DPU技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品商用進(jìn)度方面，已經(jīng)達到了國內領(lǐng)先水平。

井芯微于2020年在天津經(jīng)開(kāi)區成立，專(zhuān)注在新計算、新網(wǎng)絡(luò )、新安全等創(chuàng )新賽道，為黨政軍、金融、能源、交通、電力、電信等重點(diǎn)行業(yè)的目標客戶(hù)帶來(lái)領(lǐng)先的DPU產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。

根據DPU技術(shù)白皮書(shū)，DPU架構有三大核心組成部分，分別是控制平面、IO子系統和數據平面。在IO子系統方面，井芯微提供RapidIO嵌入式系統互連以及軟件定義互連交換等原創(chuàng )性技術(shù)，已成功研發(fā)出RapidIO交換芯片NRS1800、軟件定義互連交換芯片SDI3210、內生安全交換芯片ESW5610、橋接芯片PRB0400等系統IO產(chǎn)品。

在數據平面，井芯微已經(jīng)發(fā)布一款集成AI引擎的網(wǎng)絡(luò )處理智能芯片——井芯2820，主要面向云計算和數據中心網(wǎng)絡(luò )應用及相關(guān)的任務(wù)卸載，并提供智能化的網(wǎng)絡(luò )監控和管理能力。網(wǎng)絡(luò )數據包的處理是DPU第一個(gè)發(fā)力場(chǎng)景，以“網(wǎng)絡(luò )+算力”的模式為CPU 卸載，因此DPU也常常被視為 SmartNIC （智能網(wǎng)卡）的升級版，但我們都知道DPU的潛力絕不止于此。

井芯2820實(shí)現了2-7層的報文解析和應對云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵應用的加速能力。同時(shí)，該芯片具備可升級擴展能力，能夠應對變化迅速的大數據處理、時(shí)延敏感應用要求，并具備快速部署能力。

井芯2820支持三大應用場(chǎng)景：

標準網(wǎng)卡模式該模式下，芯片工作在標準的網(wǎng)卡方式，可以配置成2*100GE標準網(wǎng)卡、4*10GE網(wǎng)卡、2*25GE或者2*10GE網(wǎng)卡，支持最大16*PCIE4.0，支持多虛擬機的SR-IOV數據傳輸。軟件通過(guò)標準的linux網(wǎng)卡驅動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )接口卡。

智能網(wǎng)卡模式該模式下，CPU和AI引擎參與數據處理，芯片工作在智能卸載模式。數據報文經(jīng)過(guò)兩個(gè)路徑發(fā)送，一個(gè)是控制路徑，相關(guān)的協(xié)議報文，控制報文轉發(fā)至CPU核，用于各種協(xié)議控制面例如RDMA，OVS等的處理；一個(gè)是數據路徑，用于處理報文的封裝/解封裝，數據處理加速等。AI引擎實(shí)時(shí)提取和分析輸入數據，檢測和識別數據流量是否有惡意攻擊行為，進(jìn)行上報和告警。

獨立主控模式該模式下，井芯微網(wǎng)絡(luò )處理智能芯片可以獨立工作，成為一顆具備AI引擎的網(wǎng)絡(luò )主控CPU芯片。PCIE工作在RC模式下，可外接各種外設，例如24口/48口千兆交換芯片、SRIO交換芯片等。CPU運行獨立的linux操作系統和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，實(shí)現交換機的主控功能。

這顆雙100G網(wǎng)絡(luò )處理智能芯片的推出，代表了本土企業(yè)在DPU領(lǐng)域的開(kāi)拓邁出了關(guān)鍵一步。后續，井芯微將持續關(guān)注軟件定義互連、內生安全和類(lèi)腦計算三大戰略方向，推動(dòng)DPU等產(chǎn)品的快速迭代，為國家“新基建”戰略推進(jìn)貢獻創(chuàng )新力量。