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算力時代DPU讓不可能成為可能

芯啟源 ? 來源:半導體行業(yè)觀察 ? 作者:半導體行業(yè)觀察 ? 2021-06-23 15:00 ? 次閱讀

最近一段時間,DPU成為越來越熱的一個話題。芯啟源智能網(wǎng)卡是目前國內(nèi)唯一的基于SoC架構(gòu)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(quán),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。

最近英特爾發(fā)布了一款I(lǐng)PU,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(shù)。

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(chǔ)的工作任務,構(gòu)建強大的基礎(chǔ)設(shè)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(jié)合了3個關(guān)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(gòu),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(guān)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(shù)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(shè)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,不過兩個在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)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(lǐng)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(shù)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(chǔ)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(shù)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(gòu),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(guān)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(gòu)。

而就在6月15日的Six Five峰會上,英特爾推出了全新的基礎(chǔ)設(shè)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(shè)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(chǔ)設(shè)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(zhuǎn)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。

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(gòu)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(guān)于這點,筆者有幸采訪到了軟硬件融合技術(shù)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(gòu)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(jié)合的發(fā)展全貌是:

第一階段:智能網(wǎng)卡(SmartNIC)。管理側(cè)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(guān)工作任務而設(shè)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(chǔ)上行,不僅僅是網(wǎng)絡,而是整個I/O相關(guān)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(chǔ)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(chǔ)設(shè)施處理器(Infrastructure Process Unit,IPU)。從云計算公司的角度來看,基礎(chǔ)設(shè)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(guān)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(chǔ)設(shè)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(chǔ)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(gòu)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(jié)構(gòu)國家重點實驗室。而且其DPU基于自主研發(fā)的KPU架構(gòu),KPU(Kernel Processing Unit)架構(gòu)是中科馭數(shù)基于軟件定義加速器技術(shù)路線自主研發(fā)的芯片架構(gòu)。以KPU架構(gòu)為核心,2019年其設(shè)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(quán),馭數(shù)圍繞KPU(Kernel Processing Unit)芯片架構(gòu)、基礎(chǔ)軟件和計算系統(tǒng),建立了較完善的知識產(chǎn)權(quán)體系。

在應用領(lǐng)域方面,中科馭數(shù)從金融行業(yè)入手,除了深耕金融領(lǐng)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(lǐng)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(gòu)算力基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)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(shù)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(gòu)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(quán),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(chǔ)互聯(lián)通信架構(gòu)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(lǐng)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(guān)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(gòu)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(shè)計DPU芯片,都將推動整體行業(yè)的向前發(fā)展。

結(jié)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(gòu)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(gòu)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(chǔ)設(shè)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。

編輯:jq

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原文標題:巨頭們開辟DPU“芯”戰(zhàn)場

文章出處:【微信號:corigine,微信公眾號:芯啟源】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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    先生在《基于DPU的高效智中心算底座》主題分享中提出,大模型等智業(yè)務推動需求規(guī)模快速增
    的頭像 發(fā)表于 07-08 10:51 ?934次閱讀