最近英特爾發(fā)布了一款IPU，這可以說是對英偉達DPU的一個回應。因為從英特爾對IPU介紹的字面意思來看，“釋放CPU開銷”、“可編程”、“智能網(wǎng)卡”這幾個特性與當下火熱的DPU的作用如出一轍。在Nvidia以及Marvell、Broadcom和 VMware等其他制造商中，智能網(wǎng)卡被稱為數(shù)據(jù)處理單元 （DPU），并且已經(jīng)出現(xiàn)了好幾代，如 Nvidia的BlueField。其實不止國外，國內(nèi)DPU的創(chuàng)新市場也不斷有玩家涌現(xiàn)，諸如芯啟源、中科馭數(shù)、星云智聯(lián)等本土DPU企業(yè)也正在排兵布陣。不過隨著英特爾的加入，這個新戰(zhàn)場將更加熱鬧無比。
DPU走上歷史舞臺
去年10月，由于Nvidia 將基于Mellanox的SmartNIC卡命名為“DPU”，DPU這一概念一炮而紅。其實DPU這個概念是Fungible最先提的，然后被NVIDIA發(fā)揚光大。不到一年時間，DPU成為業(yè)界追逐的話題、資本界青睞的細分賽道、廠商們競相研發(fā)的技術。
為何DPU這么受追捧，或者說我們?yōu)槭裁葱枰狣PU呢？
現(xiàn)在除了主內(nèi)存和輔助內(nèi)存之外的所有計算都是在CPU上完成的，面對超大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的需求，CPU的算力已經(jīng)達到瓶頸，所以就需要硬件加速。但數(shù)據(jù)中心服務器上運行有這么多性能的敏感任務，又不可能為每一個任務分配一張加速卡。所以就需要一個通用的加速平臺來整合這些加速任務。
DPU正是這樣一個存在，它被定位為完成性能敏感的并且通用的工作任務加速處理。由DPU完成基礎的工作任務，構建強大的基礎設施層，上層的CPU和GPU來完成其他更有價值的工作。
那么，究竟什么是DPU？相比CPU和GPU，DPU究竟為何與眾不同？
DPU 是一種新型的可編程處理器，DPU 是一種片上系統(tǒng)或 SoC，它結合了3個關鍵因素：（1）行業(yè)標準、高性能、軟件可編程的多核 CPU，通常基于廣泛使用的 Arm 架構，與其他SoC組件緊密耦合。（2）一種高性能網(wǎng)絡接口，能夠以線速或網(wǎng)絡其余部分的速度解析、處理和有效地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?GPU 和 CPU。（3）一組豐富的靈活可編程加速引擎，可為 AI 和機器學習、安全、電信和存儲等卸載并提高應用程序性能。
DPU最核心的任務是IO數(shù)據(jù)的預處理和后處理，如網(wǎng)絡類任務（虛擬網(wǎng)絡、IPSec等）、存儲類任務（分布式存儲、數(shù)據(jù)加解密、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)冗余算法等）、虛擬化加速（虛擬化整體Offload，業(yè)務管理分離）、安全和認證類的任務（Root of Trust 等）。或者，從云計算業(yè)務的角度看，我們可以看做是，DPU是把整個IaaS的服務完整的Offload到硬件來做加速。
如此看來，關于DPU的應用上，一線的云運營商對DPU的需求會更強烈。因為，數(shù)據(jù)中心規(guī)模足夠大的緣故，任何一個任務的Offload到硬件都意味著非常顯著的成本降低，這些都是最直接的利潤。隨著整個軟硬件技術棧的演進，DPU的采用會逐步擴展到所有的云運營商，以及其他各類數(shù)據(jù)中心。
看到了DPU如此重要且具有意義的作用，目前在國際上參與DPU研發(fā)設計的廠商既有Intel、Broadcom、Marvall、Nvidia等巨頭，也有Fungible、Pensando等初創(chuàng)公司。各家的打法也不太相同，關于此，在《巨頭們紛紛涌入，DPU有何魔力？》一文中有作一些介紹。不過兩個在數(shù)據(jù)中心領域一直虎狼之斗的兩大巨頭英特爾和英偉達，還是很有看點的，他們是如何應對當下以及未來復雜數(shù)據(jù)處理問題的？
英偉達的DPU產(chǎn)品先行
英特爾的IPU理念超前
如今，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為英特爾、英偉達、AMD這些老牌芯片巨頭未來爭奪的主戰(zhàn)場，而且英偉達收購Arm的意圖，也是想能進一步占據(jù)數(shù)據(jù)中心服務器市場，其DPU就是集成了Arm的核，這可以說是取代英特爾的X86 CPU的一個切入點。
在DPU領域，英偉達可以說是先行者，且這幾年其BlueField系列產(chǎn)品迭代速率也很快。英偉達在DPU上的技術突破，來自于收購以色列芯片制造公司Mellanox之后，英偉達在這家公司的硬件基礎上開發(fā)出BlueField系列的兩款DPU——英偉達BlueField-2 DPU與BlueField-2X DPU。Nvidia于今年春季發(fā)布的BlueField-3 DPU承諾可卸載多達 300 個 CPU 內(nèi)核的 I/O 任務。目前其技術路線圖已經(jīng)到了BlueField-4。
此外，英偉達還推出了DOCA的軟件開發(fā)套件，這是一種集數(shù)據(jù)中心功能于芯片的架構，可助力開發(fā)者輕松地對 BlueField DPU 進行編程。DOCA是為DPU量身定做的軟件框架，目的在于支持廣大開發(fā)者在 BlueField DPU上進行軟件開發(fā)，DOCA與DPU之間就如 CUDA與GPU的關系。向上，DOCA 可以給程序員提供簡單的開發(fā)接口，同時向下平滑兼容與支持每一代 BlueField DPU 的產(chǎn)品。據(jù)英偉達稱，DOCA能實現(xiàn)從單芯片級數(shù)據(jù)中心到3U（CPU、GPU、DPU）一體超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一架構。
而就在6月15日的Six Five峰會上，英特爾推出了全新的基礎設施處理器（IPU）。首先要明確的是，英特爾的IPU不應與英特爾自己的成像處理單元 （IPU） 或英特爾平臺更新 （IPU） ，還有來自Mellanox（現(xiàn)在是NVIDIA）的IPU和Graphcore IPU所混淆，他們所定義的IPU意思都不一樣。
其實細細看來，英特爾的IPU不是什么新鮮事物，跟當下主流的DPU作用類似。據(jù)英特爾官方的說法，IPU是一種可編程網(wǎng)絡設備，旨在使云和通信服務提供商減少在中央處理器（CPU）方面的開銷，并充分釋放性能價值。利用IPU，客戶能夠部署安全穩(wěn)定且可編程的解決方案，從而更好地利用資源，平衡數(shù)據(jù)處理與存儲的工作負載。它擴展了英特爾的智能網(wǎng)卡功能，旨在應對當下復雜的數(shù)據(jù)中心，并提升效率。
英特爾的IPU能干啥呢？其IPU可以通過專用協(xié)議加速器來加速基礎設施功能，包括存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化和安全；通過把軟件中的存儲和網(wǎng)絡虛擬化功能從CPU轉移到IPU，從而釋放CPU核心。還能允許靈活的工作負載分配，提高數(shù)據(jù)中心利用率。
用于數(shù)據(jù)中心的英特爾 IPU（圖片：英特爾）
據(jù)英特爾稱，目前英特爾已經(jīng)使用 FPGA 部署了 IPU，微軟、百度、京東云和 VMWare是買家。通過特定功能，IPU可對數(shù)據(jù)中心中基于微服務架構的現(xiàn)代應用程序進行加速。谷歌和Facebook的研究表明，微服務通信開銷可消耗22%到80%的CPU性能。
據(jù)了解，英特爾將推出更多基于FPGA的IPU平臺和專用 ASIC，不過這些最終會是什么樣子以及它們將實現(xiàn)什么都尚未說明。無論 IPU 最終變成什么樣，這都是朝著分解邁出的明確一步，也是未來形成組件化“至強平臺”的巨大飛躍。
那么如何看待兩家的發(fā)展的思路呢？關于這點，筆者有幸采訪到了軟硬件融合技術理念倡導者、（前）Ucloud芯片及硬件研發(fā)負責人黃朝波，對于英特爾此次推出的IPU，黃朝波認為其理念超前，但實際的產(chǎn)品，現(xiàn)在還是FPGA，要看后面芯片的版本會怎么樣。
而在其《軟硬件融合》一書中對于超大規(guī)模云計算架構的創(chuàng)新上已有很深的見解，在他看來，在數(shù)據(jù)中心軟硬件結合的發(fā)展全貌是：
第一階段：智能網(wǎng)卡（SmartNIC）。管理側網(wǎng)絡后臺任務是最先遇到資源消耗挑戰(zhàn)問題的，典型的如Os，在25bit/s下占用的CPU資源已經(jīng)非常顯著。智能網(wǎng)卡就是為卸載網(wǎng)絡相關工作任務而設計的。
第二階段：數(shù)據(jù)處理器（DPU）。從本質(zhì)上來說，在智能網(wǎng)卡的基礎上行，不僅僅是網(wǎng)絡，而是整個I/O相關的工作任務處理都會面臨資源消耗的挑戰(zhàn)問題，因此DPU在網(wǎng)絡卸載的基礎上，加入了存儲卸載及虛擬化卸載的解決方案。
更進一步的：基礎設施處理器（Infrastructure Process Unit，IPU）。從云計算公司的角度來看，基礎設施處理器平臺不僅承載網(wǎng)絡、存儲及虛擬化的卸載，還需要承擔安全、管理、監(jiān)控等各種管理面的功能，更為關鍵的是物理隔離業(yè)務和管理：業(yè)務在CPU和GPU，管理在DPU（或者更準確地稱為IPU）。
更貼合用戶需求的：彈性的基礎設施處理器（elastic IPU，eIPU）。隨著業(yè)務規(guī)模的進一步擴大，云計算公司對底層芯片提出了新的需求。在傳統(tǒng)芯片需求的基礎上，新的需求體現(xiàn)在：差異化的產(chǎn)品開發(fā)、高效的業(yè)務卸載及快速迭代。對功能擴展而言，傳統(tǒng)的解決方案都是基于集成或獨立CPU實現(xiàn)的軟件功能擴展。在云計算場景中，需要更加極致的性能，基于CPU的軟件方案已經(jīng)無法滿足要求，這就需要通過硬件方式（eIPU方案）來實現(xiàn)高性能的功能擴展，提供性能強大、開發(fā)低門檻的硬件功能彈性。
國內(nèi)DPU玩家入局
在DPU這個創(chuàng)新的市場上，國內(nèi)這幾年不乏有玩家提早布局，而且現(xiàn)在資本市場也非常青睞DPU這個細分賽道，據(jù)投中網(wǎng)的報道，現(xiàn)在頭部的DPU項目已經(jīng)呈現(xiàn)出了熱火烹油的機構爭搶態(tài)勢。國內(nèi)的DPU初創(chuàng)企業(yè)正迎來發(fā)展的大好時機。
中科馭數(shù)算是國內(nèi)布局較早的一家DPU企業(yè)，其創(chuàng)始團隊來自于中科院計算所體系結構國家重點實驗室。而且其DPU基于自主研發(fā)的KPU架構，KPU（Kernel Processing Unit）架構是中科馭數(shù)基于軟件定義加速器技術路線自主研發(fā)的芯片架構。以KPU架構為核心，2019年其設計了業(yè)界首顆數(shù)據(jù)庫與時序數(shù)據(jù)處理融合加速芯片，已經(jīng)成功流片。今年初，中科馭數(shù)宣布了其下一顆DPU芯片研發(fā)計劃，功能層面包括完善的L2/ L3/L4層的網(wǎng)絡協(xié)議處理，可處理高達200G網(wǎng)絡帶寬數(shù)據(jù)。該顆芯片預計將于2021年底流片。
截至目前，中科馭數(shù)已經(jīng)布局126項發(fā)明專利，其中47項已獲得授權，馭數(shù)圍繞KPU（Kernel Processing Unit）芯片架構、基礎軟件和計算系統(tǒng)，建立了較完善的知識產(chǎn)權體系。
在應用領域方面，中科馭數(shù)從金融行業(yè)入手，除了深耕金融領域，2021年中科馭數(shù)產(chǎn)品的商業(yè)應用還將逐步拓展到混合云、數(shù)據(jù)中心、電信通信等領域。前段時間剛與中移物聯(lián)網(wǎng)達成戰(zhàn)略合作，雙方將在邊緣端網(wǎng)絡處理、異構算力基礎設施領域建立合作。
6月11日消息，DPU芯片企業(yè)“芯啟源”宣布完成數(shù)億元Pre-A3輪融資，本輪融資由SIG海納亞洲、浦東科創(chuàng)、晶晨半導體、熠美投資（市北高新大數(shù)據(jù)基金）等聯(lián)合投資，既有股東軟銀中國在本輪繼續(xù)追加投資。本輪融資將用于吸引研發(fā)人才與管理人才加入團隊，并啟動DPU芯片下一階段技術研發(fā)和市場拓展。
芯啟源成立于2015年，芯啟源是一家針對超大規(guī)模電信和企業(yè)級的智能網(wǎng)絡提供核心芯片和系統(tǒng)的高科技公司，擁有兩大板塊核心產(chǎn)品。據(jù)其官微介紹，芯啟源智能網(wǎng)卡是目前國內(nèi)唯一的基于SoC架構的成熟DPU（Data Processing Unit，數(shù)據(jù)處理單元）完整解決方案，并擁有自主知識產(chǎn)權，已成熟量產(chǎn)，可提供從芯片、板卡、驅(qū)動軟件和全套云網(wǎng)解決方案產(chǎn)品，已獲得了中國移動蘇研院的首批智能網(wǎng)卡訂單。
據(jù)企查查顯示，另外一家DPU芯片企業(yè)星云智聯(lián)成立于2021年3月22日，該公司專注于數(shù)據(jù)中心基礎互聯(lián)通信架構和DPU芯片研發(fā)。今年4月份，珠海星云智聯(lián)宣布完成數(shù)億元天使輪融資，由高瓴創(chuàng)投（GL Ventures）領投，鼎暉VGC（鼎暉創(chuàng)新與成長基金）、華登國際中國基金參與跟投。
據(jù)介紹，其正在研發(fā)的DPU將在 IAAS和PAAS之間形成獨立的CAAS（通信服務層），實現(xiàn)物理資源的“多虛一”和近乎裸金屬性能的“一虛多”，簡化IAAS，提升資源利用率；卸載PAAS中與通信數(shù)據(jù)流相關的處理，提升應用的通信效率和性能。從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心架構的跨越式發(fā)展，有力支撐云計算、HPC、AI等業(yè)務的指數(shù)級增長，形成一個超300億美元的新市場。
就目前形勢來看，不論各家公司如何發(fā)揮各自專長去設計DPU芯片，都將推動整體行業(yè)的向前發(fā)展。
結語
據(jù)IDC統(tǒng)計，近10年來全球算力增長明顯滯后于數(shù)據(jù)增長。全球算力的需求每3.5個月就會翻一倍，遠遠超過了當前算力的增長速度。而算力源于芯片，業(yè)內(nèi)人士預測，DPU將成為繼CPU和GPU之后重要的算力芯片。
以數(shù)據(jù)為中心的計算架構成為了趨勢，網(wǎng)絡計算和DPU成為以數(shù)據(jù)為中心計算架構的核心。黃朝波認為：“未來所有的服務器都會配備1-2塊DPU/IPU卡”。DPU作為算力新型基礎設施中的新物種，將在數(shù)據(jù)傳輸、存儲、運算等方面扮演越來越重要的角色，算力時代DPU可以讓不可能成為可能。
