處理器的第三極

很長一段時間，CPU 主導(dǎo)了整個數(shù)據(jù)中心，虛擬化算力成為云計算的重點。

直到人工智能應(yīng)用的爆發(fā)性增長，GPU 的芯片架構(gòu)被發(fā)現(xiàn)更適合支持大規(guī)模的AI模型訓(xùn)練和推理，GPU 成為數(shù)據(jù)中心第二大算力芯片。

當數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施遇到的瓶頸越來越難以克服時，新一代 DPU 出現(xiàn)了。

從2021年下半年開始，陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)了很多DPU領(lǐng)域的初創(chuàng)公司。DPU可以說是當前芯片行業(yè)最火熱的方向，可能沒有之一，風頭和聲勢甚至超過了AI芯片這個“前浪”。

人們發(fā)現(xiàn)，單純使用CPU并不能滿足AI工程師和調(diào)參者對算力的野心，而GPU特別適合這類計算。GPU上有成千上萬個小型計算單元，他們可以同時計算一個難題里的不同部分，然后再把結(jié)果結(jié)合起來，也就是“并行計算”。這種人海戰(zhàn)術(shù)比CPU的“串行計算”不知道要高到哪里去了。從此，CPU不再是數(shù)據(jù)中心里唯一的王。英偉達也成了世界上市值最高的芯片公司。

GPU的登場，只是這場大秀的序曲。把CPU的一大部分算力卸載給GPU之后，人們發(fā)現(xiàn)可以把很多其他功能也外包出去，于是又有了智能網(wǎng)卡或者SmartNIC。

這個名字聽起來既不智能，也不上口，這也注定了它并不能被大多數(shù)人所認知。工程師通常不屑于營銷，但不可否認的是，沒有營銷，再好的產(chǎn)品也賣不出來。

當一個人既懂技術(shù)、又懂人心，創(chuàng)造一個新的概念就是順理成章的事情。

2020年10月，黃仁勛在英偉達GTC大會上將基于Mellanox的SmartNIC方案命名為數(shù)據(jù)處理單元(Data Processing Units, DPU)。

這一年，應(yīng)該可以算是DPU的元年。

DPU 是以數(shù)據(jù)為中心的 IO 密集型芯片,采用軟件定義技術(shù)路線支撐基礎(chǔ)設(shè)施資源層虛擬化，可以大幅提升計算系統(tǒng)效率、降低整體系統(tǒng)的總擁有成本。DPU可以通過軟件定義,延伸至存儲、安全等功能，從而滿足不同應(yīng)用場景的具體需求。因此，DPU 也被稱為繼 CPU、GPU之后的“第三塊主力芯片”。

DPU概念一炮而紅，吸引業(yè)內(nèi)眾多競爭者紛至沓來。作為主力芯片新物種，DPU 市場空間正快速擴張，預(yù)計至 2025 年，全球、國內(nèi)市場有望分別達到 245.3 億美元、565.9 億元，復(fù)合增速分別為 51.73%、170.60%。當前，DPU 正快速進入數(shù)據(jù)中心、云計算、智能駕駛、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)安全、信創(chuàng)、國防軍工等領(lǐng)域。

特別是在數(shù)據(jù)中心、云計算應(yīng)用場景，需求較為迫切。在智能駕駛領(lǐng)域，未來，每個車機節(jié)點都可視為小型數(shù)據(jù)中心，隨機將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)發(fā)、交換和存儲需求，為降低車載終端無線側(cè)傳輸時延，智能駕駛平臺有望配備相應(yīng) DPU 智能加速平。以 NVIDIA 為例，其智能駕駛平臺 Atlan 即集成了 DPU 芯片，并預(yù)計在 2025年用于車機之上。

面向DPU巨大潛在市場，海外科技巨頭加大布局力度，NVIDIA收購 Mellanox 并發(fā)布 BlueField DPU 系列產(chǎn)品，Intel 收購 Altera 發(fā)布 IPU 產(chǎn)品，Marvell 和 AMD 等公司 也積極跟進。到國內(nèi)的DPU創(chuàng)企中科馭數(shù)、星云智聯(lián)、大禹智芯、芯啟源、云豹智能，每一家企業(yè)都在摩拳擦掌，躍躍欲試。

經(jīng)過一波收購，在“DPU”全球市場，四天王已完成布局。

老黃總結(jié)了3個DPU的特點：卸載、加速、隔離。對應(yīng)DPU的三個主要應(yīng)用場景：網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全：

• 卸載：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，比如虛擬交換、虛擬路由；數(shù)據(jù)中心存儲服務(wù)，比如RDMA、NVMe（可以把它們理解成一些遠程存儲技術(shù)）；數(shù)據(jù)中心的安全服務(wù)，比如防火墻、加解密等等

• 加速：上面說的那些服務(wù)和應(yīng)用通常使用軟件實現(xiàn)，并在CPU里運行。而DPU可以使用硬件實現(xiàn)并運行這些應(yīng)用，這樣比軟件運行要快好幾個數(shù)量級，這也就是我們常常會聽到的“硬件加速”

• 隔離：由于上面說的應(yīng)用在DPU里運行，而用戶應(yīng)用在CPU里運行，這樣就把二者隔離開了。這樣會帶來很多安全和性能上的好處

一些基本的定位分析：

• 獨立的DPU定位在基礎(chǔ)設(shè)施處理器，主要是硬件加速

• 獨立的GPU主要做應(yīng)用層的彈性計算加速

• 而CPU主要負責低計算密度高價值密度的應(yīng)用層的工作

如下圖所示：CPU有60個面積單位，共計60個CPU核；GPU有60個面積單位，共計60個GPU Core（差不多對應(yīng)流式多核處理器SM）；而DPU則由10個CPU核、10個GPU核以及40個其他加速引擎核組成。

DPU的出現(xiàn)是異構(gòu)計算的一個階段性標志。與GPU的發(fā)展類似，DPU是應(yīng)用驅(qū)動的體系 結(jié)構(gòu)設(shè)計的又一典型案例；但與GPU不同的是，DPU面向的應(yīng)用更加底層。隨著DPU將數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施操作從CPU上卸載過來，數(shù)據(jù)中心將形成DPU、GPU、CPU三位一體的狀態(tài)。

DPU首先作為計算卸載的引擎，直接效果是給CPU“減負”。DPU的部分功能可以在早期的TOE（TCP/IP Offloading Engine）中看到。正如其名，TOE就是將CPU的處理TCP協(xié)議的任務(wù)“卸載”到網(wǎng)卡上。

傳統(tǒng)的TCP軟件處理方式雖然層次清晰，但也逐漸成為網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲的瓶頸。軟件處理方式對CPU的占用，也影響了CPU處理其他應(yīng)用的性能。TCP卸載引擎（TOE）技術(shù)，通過將TCP協(xié)議和IP協(xié)議的處理進程交由網(wǎng)絡(luò)接口控制器進行處理，在利用硬件加 速為網(wǎng)絡(luò)時延和帶寬帶來提升的同時，顯著降低了 CPU 處理協(xié)議的壓力。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)分析：

主流的DPU三種技術(shù)路線對比：

• 一是以通用眾核處理器為基礎(chǔ)DPU（FPGA路線），例如Broadcom的Stingray架構(gòu)，以多核ARM為核心，以眾取勝，可編程靈活性較好，但是應(yīng)用針對性不夠，對于特殊算法和應(yīng)用的支持，與通用CPU相比并無太顯著優(yōu)勢

• 二是以專用核為基礎(chǔ)的異構(gòu)核陣列（ASIC路線），這種架構(gòu)的特點是針對性較強、性能較好，但是犧牲了部分靈活性，如IPU

• 三是將通用處理器的可編程靈活性與專用的加速引擎相結(jié)合（MP路線），正在成為最新的產(chǎn)品趨勢，以NVIDIA的BlueField-3系列DPU來看，就包括16個ARM核及多個專用加速引擎，F(xiàn)ungible的DPU則包含6大類的專用核，和52個MIPS小型通用核

主流的DPU廠家產(chǎn)品對比：

DPU要解決的核心問題是基礎(chǔ)設(shè)施的“降本增效”，即將“CPU處理效率低 下、GPU處理不了”的負載卸載到專用DPU，提升整個計算系統(tǒng)的效率、降低 整體系統(tǒng)的總體擁有成本（TCO）。DPU的出現(xiàn)也許是體系結(jié)構(gòu)朝著專用化路線發(fā)展的又一個里程碑。

DPU最直接的作用是作為CPU的卸載引擎，接管網(wǎng)絡(luò)虛擬化、硬件資源池化等基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)，釋放CPU的算力到上層應(yīng)用。

從處理網(wǎng)絡(luò)負載和卸載 CPU 任務(wù)的智能網(wǎng)卡，演變成新一代數(shù)據(jù)中心算力和服務(wù)的核心，讓云服務(wù)商“將基礎(chǔ)設(shè)施和客戶應(yīng)用分而治之”，這個思想也指導(dǎo)著數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域近年來的諸多創(chuàng)新。

隨著單一服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)端口的速度達到 200G 或以上，原來的網(wǎng)絡(luò)、存儲、虛擬化、安全等基礎(chǔ)設(shè)施多方面任務(wù)，已經(jīng)無法有效率地由 CPU 承載，而將這一類基礎(chǔ)設(shè)施任務(wù)轉(zhuǎn)移到新的計算單元 DPU 上，這也就意味著，DPU 的設(shè)計邏輯需要遵從軟件定義思路，它一定是靈活且兼具可編程性的，可以支持不同客戶的不同業(yè)務(wù)和私有協(xié)議。

有幾個重要的研究報告強有力地證明了，這些基礎(chǔ)設(shè)施任務(wù)的運行可以消耗大量的 CPU 性能。

一項由哈佛大學(xué)和谷歌的團隊在 2015 年發(fā)表的研究報告 Profiling a warehouse-scale computer 稱，該研究對谷歌數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)和數(shù)以萬計的服務(wù)器進行了經(jīng)過三年深度分析，結(jié)果顯示，跨越不同服務(wù)器的應(yīng)用所產(chǎn)生的屬于基礎(chǔ)設(shè)施類的任務(wù)構(gòu)成了“數(shù)據(jù)中心稅”，消耗了服務(wù)器中約 30% 的算力資源。該報告也指出，因為谷歌數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)量龐大，若每臺服務(wù)器資源利用率能提升一點，都會帶來巨大的成本效益。

另一項研究是 Meta 數(shù)據(jù)中心團隊 2020 年的分析 Accelerometer: Understanding Acceleration Opportunities for Data Center Overheads at Hyperscale。該團隊對運行在 Facebook 計算優(yōu)化數(shù)據(jù)中心平臺上的微服務(wù)進行全面描述，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行核心應(yīng)用程序邏輯只占用 CPU 18% 的時間；剩余時間完全用于非應(yīng)用程序邏輯核心的一般操作。也就是說，在 Facebook 執(zhí)行核心應(yīng)用時，其數(shù)據(jù)中心里的 CPU 82% 的時間都消耗在基礎(chǔ)設(shè)施類任務(wù)，這個數(shù)字是相當驚人的。也正因如此，F(xiàn)acebook 團隊態(tài)度更加鮮明地表示，“加速此類基礎(chǔ)設(shè)施的通用模塊，可以極大地提高數(shù)據(jù)中心的性能”。

全球云計算老大亞馬遜云 AWS 最早看到數(shù)據(jù)中心算力的瓶頸和提升空間，因此 AWS 也是最早嘗試自研 DPU 芯片的云服務(wù)商。AWS 的數(shù)據(jù)中心體量最為龐大，因此對于算力痛點的體會是最深刻的。其CTO Werner Vogels 就公開表示過，傳統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)優(yōu)化到了極限。

在傳統(tǒng)架構(gòu)下，大量的資源浪費在算力、網(wǎng)絡(luò)、存儲的運營和調(diào)度管理上，這些資源沒有為客戶提供直接價值。

（圖｜AWS Nitro；來源：AWS）

對此，AWS 的提出的解決方案，就是把大部分虛擬機管理程序遷移到其自研的 DPU —— Nitro 中。

以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理為例：

要線速處理10G的網(wǎng)絡(luò)需要的大約4個Xeon CPU的核，也就是說，單是做網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 包處理，就可以占去一個8核高端CPU一半的算力。如果考慮40G、100G的高速 網(wǎng)絡(luò)，性能的 開銷就 更 加 難 以 承 受 了。A m a z o n 把這些開銷都稱 之 為 “Datacenter Tax”，即還未運行業(yè)務(wù)程序，先接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)就要占去的計算資源。AWS Nitro產(chǎn)品家族旨在將數(shù)據(jù)中心開銷（為虛擬機提供遠程資源，加密解密，故障跟蹤，安全策略等服務(wù)程序）全部從CPU卸載到Nitro加速卡上，將給 上層應(yīng)用釋放30%的原本用于支付“Tax” 的算力！

效果是立竿見影的，Nitro 的應(yīng)用成功證實了 DPU 的市場價值，管理云服務(wù)的程序從原來的 CPU 轉(zhuǎn)移到 DPU 上之后：

• CPU 的資源幾乎可以完全用來運行客戶業(yè)務(wù)負載，其 DPU 使用上不但靈活還兼具高性能

• 在成本上，DPU 令寶貴的 CPU 資源被充分利用，AWS 大幅提高了能售賣給云客戶的算力資源

• 對于云客戶來說，他們同樣買到了更高性價比的算力

通過 DPU 達到其數(shù)據(jù)中心的算力資源利用率最大化，AWS 迎來了前所未有的最高云服務(wù)利潤：2022 年第一季度，AWS 業(yè)務(wù)實現(xiàn)收入 184 億美元，同比去年增長 36.6%；利潤 65.1 億美金，同比去年增長 57%，利潤率 35.3% 達到了歷史新高。這些數(shù)字的背后，離不開其自研的 DPU 芯片 Nitro。

隨著“東數(shù)西算”在2022年2月正式啟動，進一步加速了全國一體化算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點的建設(shè)步伐。在《2021-2022全球計算力指數(shù)評估報告》顯示，算力指數(shù)每提高一個點，數(shù)字經(jīng)濟和GDP將分別增長千分之3.3和千分之1.8。算力已經(jīng)成為了數(shù)字經(jīng)濟時代核心生產(chǎn)力。

直觀的理解算力網(wǎng)絡(luò)包含兩個關(guān)鍵部分：一是“算力”，二是“網(wǎng)絡(luò)”。然而，“算力網(wǎng)絡(luò)”的效力不應(yīng)該是二者的簡單的加和，而應(yīng)該是“倍乘”，通過網(wǎng)絡(luò)來對算力進行價值放大，承載更多的應(yīng)用。缺乏算力的網(wǎng)絡(luò)只能作為數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)，而缺乏網(wǎng)絡(luò)的算力的使用價值也將大大降低。

根據(jù)著名的梅特卡夫定律，一個網(wǎng)絡(luò)的價值等于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點數(shù)的平方。對于算力網(wǎng)絡(luò)，宏觀來看“節(jié)點”包括一下兩部分：

• 各種算力中心（如數(shù)據(jù)中心、超算中心、智算中心、邊緣計算節(jié)點等等）

• 服務(wù)的終端應(yīng)用（如PC、智能手機等具有強交互性的設(shè)備，也包括攝像頭、智能電表等弱交互性設(shè)備）

為了便于分析算力相關(guān)的核心基礎(chǔ)技術(shù)，我們把算力劃分為兩大類：

• 應(yīng)用層算力（Application-Domain Computing Power）

• 用于執(zhí)行業(yè)務(wù)層應(yīng)用的算力，例如視頻解析，數(shù)據(jù)查詢，路徑規(guī)劃，圖像渲染等，大體對應(yīng)到全系統(tǒng)分層架構(gòu)SaaS和PaaS層

• 基礎(chǔ)層算力(Infrastructure-Domain Computing Power)

• 用來做資源池化，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，壓縮存儲，加密解密，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等基礎(chǔ)層負載的算力

預(yù)計應(yīng)用算力的提升主要來自于專用服務(wù)器的采用，雖然局部來看，應(yīng)用層算力一方面得益于更高性能CPU、GPU的采用，另一方面得益于計算從通用走向?qū)Ｓ玫倪^程中各種FPGA和ASIC的XPU的引入。雖然引入了大量專用計算單元，但宏觀來看，得益于CPU的核心地位，仍然可以維持算力的通用性。

基礎(chǔ)算力層的核心功能之一是構(gòu)建算力流通的“管道”，在傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)與計算是分離，計算的主體是服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)的主體是網(wǎng)卡、路由器和交換機。

隨著DPU技術(shù)的逐漸成熟，我們看到大量原本在服務(wù)器上運行的基礎(chǔ)層負載可以被卸載到與服務(wù)器CPU直連的DPU上，保持網(wǎng)絡(luò)特性的功能不再由服務(wù)器端的CPU來維護。DPU的存在，將本地物理資源虛擬化，也將遠層訪問本地化。

DPU開始承載基礎(chǔ)算力的角色，并且是在不改變現(xiàn)有路由器和交換機的前提下。DPU的出現(xiàn)也使得網(wǎng)內(nèi)計算（In-Network Computing）的成熟度得到進一步提升。

DPU的戰(zhàn)鼓早已敲響，未來五年，中國DPU市場規(guī)?；虺|。作為數(shù)據(jù)中心的“叱咤紅人”，DPU勢必會是各個巨頭和初創(chuàng)公司的必爭之地。自研、并購、融資各家公司拿出看家本領(lǐng)來搶占市場先機。

云廠商、芯片大廠、初創(chuàng)公司……誰執(zhí)牛耳？

如果不解決數(shù)據(jù)中心資源利用率低下造成的算力供需矛盾，未來還會有更多的算力需求無法匹配上供給。羅蘭·貝格 Roland Berger 公司就預(yù)測，從 2018 年到 2030 年，無人駕駛算力需求增加 390 倍，數(shù)字貨幣算力需求增加約 2000 倍，VR 游戲算力需求增加約 300 倍。有能力解決這個問題的 DPU 創(chuàng)企，一旦抓住時代機遇便可快速發(fā)展。

特別是國內(nèi)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展期，本身就為 DPU 的應(yīng)用提供了很好的土壤。再加上國內(nèi)從政府到社會層面意識到芯片產(chǎn)業(yè)具有經(jīng)濟性和戰(zhàn)略性雙重屬性，對國產(chǎn)芯片提供前所未有的扶持，以及像東數(shù)西算這樣的大工程提供了國產(chǎn) DPU 充分的商用場景，必定可以培育出有世界競爭力的 DPU 芯片公司，做出一款世界級芯片。

越是高端的芯片產(chǎn)品，準入門檻就越高，“贏家獨贏”的特點也越明顯，即資本、人才、客戶等行業(yè)資源會不斷地集中到頭部企業(yè)。

一家頭部芯片企業(yè)的市占率，可能比幾家非頭部企業(yè)的市占率總和還要高很多倍。非頭部芯片企業(yè)的生存空間會非常小，其投資者的風險也特別大。

雖然 DPU 市場目前仍是一片藍海，但也會不可避免地走向贏家通吃的局面。