芯片行业专题报告DPU第三颗主力芯片崛起的新物种

芯片行业专题报告-DPU第三颗主力芯片崛起的新物种1、大数据时代，DPU成为第三颗主力芯片大数据催生多元算力新计算架构，DPU逢时而生。随着数字经济不断发展，全球新一轮科技革命正加速演进。政策层面，我国正自上而下推进数字化转型，“新基建”、“东数西算”、“双碳减排”等规划陆续推出；技术层面，云计算、智能驾驶、元宇宙等产业不断发展，下游应用场景多样化带来数据激增，不断催生多元算力需求，DPU逢时而生。1.1、突破大算力瓶颈，DPU逢时而生DPU（数据处理器，DataProcessingUnit），是数据中心第三颗主力芯片。2016年，DPU首次由美国公司Fungible提出，其主要目标是优化和提升数据中心效能。根据IDC统计，全球算力需求平均每3.5个月翻一倍，而作为支撑算力的基础，传统以CPU为中心的

“CPU+xPU”多元化异构计算架构在性能提升上越发乏力。从CPU性能与网络带宽的过往发展趋势来看：网络带宽CAGR从2010年前的30%，提升至当前的45%；与之相对应的CPU性能CAGR从2010年前的23%，下降至当前的3.5%；RBP指标从1附近，上升到10以上，CPU应对网络带宽增长带来的计算需求压力不断增大。因此，具备网络能力，并同时融入通用计算能力，可进行安全与存储卸载功能的下一代智能网卡DPU逢时而生，成为继CPU、GPU之后的第三颗主力芯片，助力数据中心更高效的应对多元化的算力需求。从DPU的产业发展历程来看，NVIDIA是全球先行者。2020年上半年，NVIDIA以69亿美元的对价收购以色列网络芯片公司MellanoxTechnologies，并于同年推出BlueField-2DPU，将其定义为继CPU和GPU之后“第三颗主力芯片”，正式拉开DPU大发展的序幕。1.2、从网卡到DPU，新物种不断进化非单一芯片，DPU是智能网卡进化的下一形态。DPU是由基础网卡进化而来，是智能网卡发展的下一形态。其进化史可分为三个主要阶段：阶段一：普通网卡，提供网络吞吐能力普通网卡（基础功能网卡）提供2x10G或2x25G带宽吞吐能力，具有较少硬件卸载能力，主要是Checksum、LRO/LSO等，支持SR-IOV，以及有限多队列能力。在云平台虚拟化网络中，普通网卡向虚拟机（VM）提供的网络接入方式主要有三种：1）由操作系统内核驱动接管网卡并向虚拟机（VM）分发网络流量；2）由OVS-DPDK接管网卡并向虚拟机（VM）分发网络流量；3）高性能场景下通过SRIOV的方式向虚拟机（VM）提供网络接入能力。阶段二：硬件卸载，协助CPU进行网络负载随着云计算不断发展，普通网卡已经不能满足数据中心对虚拟化的要求，因此，第一代具备硬件加速能力的智能网卡SmartNIC演进而来。SmartNIC核心是通过FPGA（现场可编程门阵列）协助CPU处理网络负载，并编程网络接口功能。此阶段的智能网卡延续了TOE卸载CPU负载逻辑，使用“网卡+FPGA”方法扩展网卡算力，实现用户自定义计算，以及硬件卸载能力。SmartNIC硬件卸载能力中，典型有OVSFastpath硬件卸载、基于RoCEv1和RoCEv2的RDMA网络硬件卸载、融合网络中无损网络能力（PFC、ECN、ETS等）硬件卸载、存储领域NVMe-oF硬件卸载，以及安全传输数据面卸载等。在云计算虚拟化平台中，SmartNIC能够提升应用程序和虚拟化性能，实现软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）多种优势，将网络虚拟化、负载均衡和其他低级功能从数据中心CPU中卸载，为应用提供最大处理能力。此SmartNIC还能够提供分布式计算资源，使用户开发软件或提供接入服务，进而加速特定应用程序。在产业案例上：2013年，Amazon的云计算平台AWS即研发了Nitro产品，将数据中心部分开销，即为虚机提供远程资源、加密解密、安全策略等服务程序，全部放到专用加速器上执行。Nitro架构采用轻量化Hypervisor配合定制化硬件，将虚拟机计算（CPU和内存）和I/O（网络和存储）子系统分离开来，通过PCI总线连接，节省30%CPU资源。阶段三：智能进化，融入通用算力芯片在数字经济加速渗透的背景下，数据中心越来越成为“业务和流量复杂性的聚集地”，为数据中心减负成为催化智能网卡再度进化的主要因素。新一代产品继承并发展了SmartNIC，通过在其基础上加入CPU，提供更丰富和灵活的算力卸载、主机侧与网络侧通信传输功能、虚拟网络控制面隔离、测量和检测等功能，来实现网络、存储与安全卸载等能力。当前，DPU的特点首先是支持PCIeRootComplex模式和Endpoint模式，在配置为PCIeRootComplex模式时，实现NVMe存储控制器与NVMeSSD磁盘一起构建存储服务器。在产业案例上：2020年，NVIDIA推出Bluefield-2DPU产品；2021年，Intel根据数据吞吐类应用快速增长趋势，推出类DPU产品IPU（InfrastructureProcessingUnits）；2022年，阿里云在峰会上，提出云计算全新架构“飞天操作系统+CIPU”，实现百万台服务器整体纳管、整体编排、整体调度，进而演进为一台超级计算机。1.3、独立计算单元，多技术路线并进DPU具有独立计算单元，可通过ASIC/FPGA/SoC等技术实现。具备独立计算单元是DPU相较于普通网卡的主要特征。DPU能够完成特定基础设施功能操作，如重组加速、安全加速等，带来显著性能提升。DPU上的可编程ASIC或FPGA单元有可以运行自定义软件的计算层，可为网络流量提供服务，并执行特定网络及数据中心基础设施功能，为外部网络和服务器操作系统之间提供了额外安全层，即将安全保障由ToR交换机转移向了DPU设备。目前，智能网卡（DPU）有ASIC、FPGA和SoC三种实现路径。不同技术路径在成本、编程简易性和灵活性方面存在各自利弊。其中，ASIC具备高性能、低功耗、低成本等特性，但其在预定义范围内可编程性较低，灵活性一般，限制了其向新应用场景开拓的能力；基于FPGA的技术路线具有非常高的灵活性和可编程性，在足够时间和成本预算支持下可以相对有效地支持几乎所有功能，但其价格昂贵、功耗较高、芯片面积较大；对于更复杂、更广泛的现实用例，基于SoC（如NVIDIABlueFieldDPU）的技术路线提供了更优实施选项，SoC技术路线具备可编程、高灵活性等特征，是未来DPU发展的一个主流方向。2、需求放量，国产DPU厂商迎来发展良机“3U”一体（即CPU、GPU、DPU）重塑数据中心算力架构。数据中心作为IT基础设施的重要组成部分，正快速发展，面向云计算商业化应用，对接入带宽、可靠性、灾备、弹性扩展等要求较高。从未来算力需求来看，异构计算已成为重要发展趋势，高度集成化的片上数据中心的模式（DataCenterInfrastructureOnaChip）有望成为未来数据中心主流，即CPU、GPU、DPU共存形式。以NVIDIA为例，其布局数据中心从核心到边缘（Edge）采用了“3U”一体的统一计算架构。通过CPU、GPU、DPU协同互补，可以在数据中心和边缘端达到高性能与高安全性。2.1、“3U”一体重塑数据中心算力架构CPU：计算生态的底座，主力芯片的基石。CPU（中央处理器）是整个计算设备的大脑，其诞生使得软件和硬件从此解耦，可以实现更高IPC和更高频率。自上世纪90年代以来，CPU整体性能提升接近5万倍。同时，基于CPU，软件也发展出庞大生态，无论是x86架构服务器端还是ARM架构移动端，都构建起自身丰富的生态系统。CPU重要应用领域包括PC和服务器，每台PC通常有一颗CPU，而每台服务器CPU数量不定，通常分为一路、双路、四路及以上服务器；其中，以双路服务器为主。全球市场方面，2021年全球服务器出货量达1353.9万台，同比增长9.07%；PC出货量为3.47亿台，同比增长16.27%。中国市场方面，2021年国内服务器出货量达375.1万台，同比增长9.07%；PC出货量为5700万台，同比增长16.09%。GPU，从图形处理到数据处理芯片蜕变。图形处理器（GPU）从图形控制功能发展而来，至今已成为架构复杂度最高的芯片之一，在并行计算、浮点以及矩阵运算方面具有强大性能，是高性能计算最重要的辅助计算单元。2006年，NVIDIA推出并行计算架构CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture），使GPU可以处理复杂计算问题，同时开发者可使用C语言来编写程序，极大降低了用户基于GPU并行编程门槛。在此基础上，NVIDIA还针对不同场景构建了功能强大的开发库和中间件，逐步建立了“GPU+CUDA”的强大算力生态。根据华经产业研究，2020年GPU全球市场规模为254.1亿美元，预计2027年将达到1853.1亿美元；中国市场2020年市场规模为47.4亿美元，预计2027年达到345.6亿