中國移動(dòng)發(fā)布了一顆芯片：本土首顆400Gbps DPU

自去年ChatGPT發(fā)布以來(lái)，數據中心的芯片需求迎來(lái)了新一輪的上升周期。當中尤其以英偉達GPU的表現最為亮眼。與此同時(shí)，作為芯片最終買(mǎi)家的云廠(chǎng)商也開(kāi)始以自研或跟芯片廠(chǎng)商合作的方式涉足數據中心核心芯片的開(kāi)發(fā)。

美國的亞馬遜云（AWS）2017年最先實(shí)現了DPU芯片（AWS稱(chēng)之為Nitro）的商業(yè)化成功部署，AWS在使用自研DPU芯片后，使其實(shí)現了巨大收益；谷歌依托于自身對業(yè)務(wù)的深刻理解及與Broadcom等芯片公司的緊密合作，成功迭代和推出了多代自研TPU芯片。

近日，國內的“云大戶(hù)”中國移動(dòng)也帶來(lái)自己的DPU芯片“磐石”——本土首顆400Gbps帶寬的DPU ASIC芯片，實(shí)現關(guān)鍵技術(shù)自主可控?？紤]到DPU對數據中心和云業(yè)務(wù)的重要性，相信這將為近年來(lái)大力發(fā)展云業(yè)務(wù)的中國移動(dòng)打下夯實(shí)基礎，并為其帶來(lái)獨特的競爭力。

圖：中國移動(dòng)磐石DPU V4.0

DPU，第三顆主力芯片

所謂DPU（Data Processing Unit），也就是數據處理單元。顧名思義，這是一種專(zhuān)門(mén)為數據處理而設計的芯片。作為繼CPU、GPU以外的第三顆主力芯片， DPU成為了幾乎所有云廠(chǎng)商甚至海外芯片巨頭的關(guān)注目標。例如英偉達耗資69億美元收購Mellanox，AMD花費19億美元收購Pensando ，就是為了DPU。

由中國移動(dòng)協(xié)同云豹智能和信通院聯(lián)合撰寫(xiě)的DPU白皮書(shū)《云計算通用可編程DPU發(fā)展白皮書(shū)（2023年）》中指出：“隨著(zhù)人類(lèi)生產(chǎn)力進(jìn)入算力時(shí)代，傳統以 CPU 為核心的架構正在遭受算力瓶頸考驗，多樣化算力需求亟需軟硬件架構全面變革，算力技術(shù)發(fā)展必將遵循‘軟件定義一切，硬件加速一切’的理念，重構算力基礎設施，通用可編程加速單元 DPU 將成為新的算力核心，重新定義算力時(shí)代云計算技術(shù)新標準，構建算力時(shí)代新技術(shù)曲線(xiàn)?！?/span>

但其實(shí)在DPU面世以前，這款芯片還是經(jīng)歷了幾代的變遷。

在一開(kāi)始的時(shí)候，數據中心的數據處理工作都是由CPU完成，而網(wǎng)絡(luò )傳輸任務(wù)則由專(zhuān)門(mén)的傳統基礎網(wǎng)卡NIC（又稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )接口卡）處理。具體工作流程就是NIC將用戶(hù)需要傳輸的數據轉換為網(wǎng)絡(luò )設備能夠識別的格式，然后把數據交由CPU處理。

但隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的不斷增加和新需求的不斷出現，網(wǎng)絡(luò )和存儲的數據量不斷增加，進(jìn)而驅動(dòng)數據中心中的網(wǎng)卡端口速率從 10G 快速向 25G、100G甚至200G 及以上演進(jìn)，給CPU帶來(lái)新的壓力。這個(gè)時(shí)候，一種旨在減輕 CPU 的部分處理負載，進(jìn)一步提高數據中心效率的智能網(wǎng)卡（SmartNIC）就進(jìn)入了大眾的視野。據了解，智能網(wǎng)卡 SmartNIC 除了具備傳統基礎網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò )傳輸功能外，還提供一定的硬件卸載和加速能力，釋放主機 CPU的部分計算資源。

然而，在后續的發(fā)展中，SmartNIC也捉襟見(jiàn)肘。例如，因為沒(méi)有包含通用處理器 CPU，意味著(zhù)仍然需要主機 CPU進(jìn)行控制面管理及網(wǎng)絡(luò )和存儲等協(xié)議的大部分處理，繼續消耗大量主機Host資源。而且，隨著(zhù)數據中心網(wǎng)絡(luò )速率向100G及200G甚至更高速率的不斷提高，主機不但仍會(huì )消耗大量寶貴的通用CPU資源對流量進(jìn)行分類(lèi)、跟蹤和控制，而且其性能也已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足更高網(wǎng)絡(luò )速率及存儲帶寬的需求。

于是，如何實(shí)現主機 CPU 的“零消耗”及解鎖數據中心向更大規模及更高帶寬的演進(jìn)，成了云廠(chǎng)商下一步的研究方向，DPU也應運而生。

從設計上看，DPU通過(guò)在硬件架構上增加通用處理單元CPU和豐富的硬件加速單元，從而便于實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )、存儲、安全和管控等通用基礎設施的加速和全卸載。其產(chǎn)品形態(tài)主要有NP/MP+CPU，FPGA+CPU和單芯片ASIC方案。據了解，在發(fā)展早期，基于FPGA的可編程性的FPGA+CPU多芯片方案成為了行業(yè)首選。

除了亞馬遜以外，大部分云廠(chǎng)商尤其是國內的云廠(chǎng)商，如：阿里、騰訊、百度等，都用的傳統FPGA+CPU方案，其競爭壓力也隨之而至。隨著(zhù)帶寬流量的進(jìn)一步增加，擁有價(jià)格和性能優(yōu)勢、兼顧專(zhuān)用加速器的優(yōu)異性能和內嵌通用處理器的靈活性可編程ASIC單芯片方案成為了行業(yè)的最終選擇，而國內的云廠(chǎng)商也正在尋求從FPGA+CPU方案到ASIC方案的演變，這最終驅使中國移動(dòng)自研了采用ASIC的DPU芯片“磐石”。

磐石，取得重大突破

從產(chǎn)品應用角度看，如何才稱(chēng)得上一顆有競爭優(yōu)勢的DPU？

在我們看來(lái)，它首先應該能夠支持高速低時(shí)延網(wǎng)絡(luò )，因為這是這個(gè)芯片的首要任務(wù)；其次，我們還希望這個(gè)DPU能夠引入高性能通用多核CPU、可編程硬件加速器，以期在提供可編程性和通用處理能力的同時(shí)，還能滿(mǎn)足人工智能、分析和安全操作等差異化特定任務(wù)的執行。

中國移動(dòng)的這顆芯片帶寬為400Gbps，緊密契合了當前的數據中心高帶寬需求，我們可以肯定地說(shuō)，中國移動(dòng)“磐石”DPU芯片的成功研發(fā)，是我國國產(chǎn)芯片領(lǐng)域取得的重大技術(shù)突破。

熟悉的讀者應該清楚地知道，數據中心服務(wù)器的集成度越來(lái)越高。無(wú)論是x86還是Arm等架構服務(wù)器的CPU芯片，都在向單芯片幾百個(gè)甚至更多CPU集成，密度都在不斷增加；同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )存儲也正在向基于低時(shí)延以太網(wǎng)技術(shù)的彈性存儲方向發(fā)展，這增加了對高帶寬低時(shí)延以太網(wǎng)的需求；再者，私有云應用程序和虛擬桌面基礎設施的增加對網(wǎng)絡(luò )提出了額外的要求；最后，物聯(lián)網(wǎng)和邊緣的海量數據積累正在增加對網(wǎng)絡(luò )的帶寬要求。

疊加AI帶來(lái)的新需求，400Gbps洶涌而至，這也讓磐石DPU的發(fā)布恰逢其時(shí)。據介紹，磐石DPU的面世，不但將國產(chǎn)DPU芯片的最高傳輸速率提升到一個(gè)新臺階，也讓國內另一運營(yíng)商基于海外FPGA+CPU多芯片方案的DPU等相形見(jiàn)絀。

值得一提的是，隨著(zhù)該芯片的面世，國產(chǎn)DPU還首次演進(jìn)到世界頂尖水平——該芯片帶寬和全球領(lǐng)先的英偉達BlueField-3 DPU達到同一水平。

據公開(kāi)資料介紹，磐石DPU芯片擁有400Gbps的數據傳輸能力，將國產(chǎn)DPU芯片最高傳輸速率提升一倍，達到全球頂尖水平。該芯片擁有每秒處理百萬(wàn)個(gè)數據包的存儲能力，遠程直接存取數據（RDMA）的時(shí)延低至5微秒。同時(shí)，還具有低功耗、低成本特性，依托該芯片打造的磐石DPU硬件板卡，較上一代硬件板卡功耗下降50%，成本下降50%。中國移動(dòng)推出“磐石”DPU芯片以后，無(wú)疑將為其云服務(wù)帶來(lái)巨大收益，也將為其客戶(hù)帶來(lái)更高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品方案，這也給國內其他云服務(wù)商帶來(lái)更大的壓力。

我們認為，“磐石”DPU芯片將有力推動(dòng)我國DPU關(guān)鍵技術(shù)自主可控、硬件架構持續優(yōu)化、生態(tài)布局不斷完善。中國移動(dòng)在發(fā)布會(huì )上進(jìn)一步指出，該芯片將廣泛應用于中國移動(dòng)數據中心建設，支撐通用計算、智能計算等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，為云計算、邊緣計算、大數據處理、AI大模型訓練等領(lǐng)域提供更安全、可靠、高效的技術(shù)支持，助力我國大數據、人工智能、算力網(wǎng)絡(luò )高速發(fā)展。

眾所周知，打造一個(gè)DPU ASIC并不是一件很容易的事情，這也是為何大部分廠(chǎng)商基于FPGA打造相關(guān)解決方案。從目前看來(lái)，與ASIC的方案相比，基于FPGA的多芯片方案功耗高、成本高，且對用戶(hù)的研發(fā)要求高、人力投入大，還不能靈活移植各種應用。更重要的是，這些方案采用的高性能FPGA芯片及配合的CPU芯片均是由海外廠(chǎng)商提供。

這就讓中國移動(dòng)協(xié)同生態(tài)伙伴自研的這顆400Gbps國產(chǎn)DPU芯片，在國家大力發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力戰略上顯得更有意義。

寫(xiě)在最后

作為國內領(lǐng)先的運營(yíng)商，中國移動(dòng)在過(guò)去幾年頻頻通過(guò)旗下的企業(yè)投身芯片自研。

例如在2023年6月，中國移動(dòng)旗下的中移物聯(lián)正式發(fā)布全球首顆RISC-V架構的LTE-Cat.1芯片（CM8610 LTE-Cat.1芯片）和中國移動(dòng)首顆量產(chǎn)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信芯片（CM6620 NB-IoT芯片；當年八月，中國移動(dòng)又發(fā)布了一顆核心自主創(chuàng )新成果“破風(fēng)8676”可重構5G射頻收發(fā)芯片。按照中國移動(dòng)的描述，這些芯片不但能夠提升公司產(chǎn)品的性能表現，同時(shí)還為國內自主可控事業(yè)添磚加瓦。

在“磐石”DPU面世后，中國移動(dòng)的自研芯片業(yè)務(wù)又上了一個(gè)新臺階。期待他們在未來(lái)給我們帶來(lái)更多的驚喜。

來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察