DPU技術的進步與未來創新

2024-05-29碼農

隨著雲端運算和虛擬化技術的發展，網卡在功能和硬體結構方面也經歷了四個階段，即網卡、智慧網卡、基於FPGA的DPU和DPU SoC網卡。本文將重點介紹這些不同型別的網路介面卡和處理器，在硬體、可編程能力、開發和套用方面的特點。

網卡的演進和套用

傳統的基本網卡，也被稱為NIC或網路介面卡，在電腦網路中的作用至關重要。它的主要功能是將數據轉換為網路裝置之間高效傳輸所需的格式。隨著時間的推移，網卡的功能不斷擴充套件，除了融合額外功能，還具備基本的硬體解除安裝功能，例如CRC校驗、TSO/UF0、LSO/LR0以及VLAN支持等。它還支持SR-IOV以實作虛擬化和QoS以提升網路效能。在網路介面頻寬方面，它已經從100M和1000M的速率演進到支持更高速率的10G、25G甚至100G。

在雲端運算虛擬化網路中，傳統的基本網卡提供了三種主要方法來為虛擬機器提供網路存取。

1. 透過作業系統內核協定棧，網卡將傳入的流量轉發到虛擬機器。

2. DPDK使用者態驅動程式繞過內核協定棧，直接將封包復制到虛擬機器的記憶體中，以提高效能。

3. SR-IOV技術將物理網卡虛擬化為多個直接分配給虛擬機器的虛擬功能（VF）。

隨著VxLAN等隧道協定和虛擬交換技術等網路復雜性的增加，對CPU資源的需求也越來越高。智慧網卡透過從CPU中解除安裝網路處理任務，提升整體網路效能，從而應對這一挑戰。

智慧網卡的演進和套用

智慧網卡不僅提供傳統基本網卡中的網路傳輸功能，還融合數據平面硬體解除安裝功能，例如使用FPGA或整合處理器與FPGA和處理器核心的OVS/vRouter硬體解除安裝。這些智慧網卡提升雲端運算網路的轉發速率，並減輕主機CPU的計算資源負擔。

與傳統的網卡不同，智慧網卡不包含通用的CPU。相反，它們依賴主機CPU來管理控制平面。智慧網卡解除安裝加速的主要焦點是數據平面，涵蓋了諸如0VS/vRouter等虛擬交換機的快速路徑解除安裝、RDMA網路解除安裝、NVMe-oF儲存解除安裝和IPsec/TLS數據平面安全解除安裝等任務。

然而，隨著雲端運算套用中網路速度的不斷提高，主機CPU仍然需要大量的資源用於流量分類、跟蹤和控制。實作主機CPU的「零消耗」已成為雲服務提供商的下一個研究方向，旨在盡可能減少主機CPU參與這些任務。

基於FPGA的數據處理單元（DPU）的演進和套用

基於FPGA的數據處理單元（DPU）是一種智慧網卡，可以解除安裝數據並具有平面控制功能。它在控制平面和數據平面上都是部份可編程的。在硬體方面，它包括一個基於FPGA的通用CPU處理器，例如英特爾CPU。

與智慧網卡相比，基於FPGA的數據處理單元（DPU）透過整合通用CPU處理單元來增強硬體架構，形成了FPGA+CPU架構。這種配置有助於加速和解除安裝各種基礎設施元件，包括網路、儲存、安全和管理。目前，主流形式的DPU是FPGA+CPU配置，基於這種架構的DPU具有出色的軟體和硬體可編程性。

在DPU的早期開發階段，它提供了更短的開發時間和快速叠代，便於快速客製功能。這使得DPU制造商能夠快速推出產品並抓住市場機遇。然而，隨著網路頻寬從25G過渡到100G，基於FPGA+CPU的DPU架構由於芯片工藝和FPGA結構的限制遇到挑戰。這些限制使得在追求更高吞吐量的同時，有效控制芯片面積和功耗變得困難。因此，這種DPU架構的持續發展受到了阻礙。

DPU SoC網卡的演進和套用

與基於FPGA的架構不同，基於套用專用積體電路（ASIC）的DPU SoC將專用加速器的效能與通用處理器的可編程性相結合，解決了成本、功耗和功能等方面的問題。尤其是針對下一代100G伺服器，它們在成本、功耗、高吞吐量和靈活的編程能力方面具有優勢，DPU SoC可支持套用管理、虛擬機器、容器和裸金屬套用。

DPU技術正在不斷發展，通用可編程的DPU SoC現在對於雲服務提供商的數據中心建設至關重要。它們能夠高效地管理計算和網路資源，支持多樣化的雲端運算場景，並最佳化數據中心資源利用率。芯片巨頭和領先的雲服務提供商在DPU的研究、開發和利用方面進行了重大投資，透過持續的探索和實際實施取得了顯著的成本效益。

亞馬遜雲中的DPU

亞馬遜網路服務（AWS）是一家以Nitro DPU系統作為關鍵技術基礎的頂級雲端運算服務提供商。Nitro DPU系統可以高效地將網路、儲存、安全和監控功能解除安裝到專用的硬體和軟體上。這使得服務例項可以存取大部份的伺服器資源，從而大幅降低成本並增加年收入。Nitro DPU系統由多個元件組成：

1. Nitro卡：用於網路、儲存和控制的專用硬體，以提升整體系統效能。

2. Nitro安全芯片：將虛擬化和安全功能轉移到專用的硬體和軟體上，減小攻擊面，確保安全的雲平台。

3. Nitro虛擬化管理程式：一種輕量級的虛擬化管理程式，高效地管理記憶體和CPU分配，提供與裸金屬相當的效能。

透過提供關鍵的網路、安全、伺服器和監控功能，Nitro DPU系統可以釋放底層服務資源供客戶虛擬機器使用。它使得AWS可以提供更多的裸金屬例項型別，甚至能夠為特定例項實作高達 100Gbps 的網路效能。

輝達（NVIDIA）DPU

輝達（NVIDIA）是一家知名的半導體公司，以其在高效能計算領域的圖形處理單元（GPU）而聞名。該公司於2020年4月以69億美元收購了網路芯片和裝置公司邁絡思（Mellanox）。在收購之後，輝達（NVIDIA）推出了BlueField系列的DPU。

NVIDIA BlueField-3 DPU是專為加速計算而設計的，繼承了BlueField-2 DPU的先進功能。它提供高達 400G 的網路連線，並為軟體定義的網路、儲存、安全和管理功能提供解除安裝、加速和隔離能力。

英特爾（Intel）IPU

英特爾（Intel）IPU是一種配備了硬化加速器和乙太網路連線的先進網路裝置。它利用緊密耦合的專用可編程核心來加速和管理基礎設施功能。IPU實作基礎設施解除安裝，並充當執行基礎設施應用程式的主機控制點，提供了額外的安全層。將所有基礎設施服務從伺服器解除安裝到IPU中，釋放伺服器CPU資源，並為雲服務提供商提供了一個獨立且安全的控制點。

英特爾的路線圖包括Oak Springs Canyon和Mount Evans IPU產品。Oak Springs Canyon是基於FPGA的IPU產品，而Mount Evans IPU是基於ASIC的IPU產品。Oak Springs Canyon采用了英特爾的Agilex FPGA和Xeon-D CPU，而Mount Evans則由英特爾和谷歌共同設計，結合用於封包處理的ASIC和16個ARM Neoverse N1核心，具備強大的計算能力。