國產智慧網絡卡如何應對DPU興起?17位行業專家解讀技術方向與挑戰

國產智慧網絡卡如何應對DPU興起?17位行業專家解讀技術方向與挑戰

芯東西(公眾號:aichip001)

作者 | 高歌

編輯 | Panken

芯東西9月25日報道,今日,中國智慧網絡卡研討會在北京召開,來自英偉達、芯啟源、中國移動、阿里雲、騰訊雲、奧工科技、邁普等廠商的17位資深專家、工程師分享了他們在智慧網絡卡領域的思考和取得的技術突破。

會議上,工信部科技委專職常委、中國通訊學會資訊網路技術專業委員會主任委員趙慧玲談道,隨著智慧網絡卡應用的普及,也帶來了很多挑戰。本次會議無論是電信運營商、網際網路運營商、裝置製造商、網絡卡開發商,還是使用者,都可以相互交流,就技術發展方向和挑戰進行交流。

今天的中國智慧網絡卡研討會吸引了晶片廠商、網絡卡供應商、運營商等不同環節的行業參與者。據芯東西瞭解,也有不少其他廠商專程來參加這次會議,在瞭解行業動向的同時,尋求合作機會。

國產智慧網絡卡如何應對DPU興起?17位行業專家解讀技術方向與挑戰

參會廠商和展商正在進行交流

一、中國移動:智慧網絡卡解決兩大行業痛點,標準化將成關鍵

中國移動研究院資料中心網路專案經理王瑞雪從電信運營商角度分享了移動在資料中心網路所面臨的挑戰。

近年來,伴隨4G、5G時代來臨,中國移動的雲化業務越來越多,應用的激增使資料中心流量以每年25%的速度增長,網路頻寬不斷增長。但後摩爾定律時代下,CPU計算能力增速慢於網路傳輸速率增速,且差距持續增大。

以24核計算型伺服器為例,其CPU利用率僅有70%,網路功能佔用6個核,虛擬化功能佔到1-2個核。當網絡卡升級到100G時,CPU算力資源基本被佔用,影響了工作效率。

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由於虛擬化技術演進,運營商逐漸實現了資源池內計算網路儲存的虛擬化。但隨著業務規模的擴大,其虛擬化消耗越來越大,如何降低虛擬化的損耗成為了行業的痛點。

因此,中國移動將網路儲存、作業系統中一些不適合CPU做的功能放在交換晶片上來做。具體來說,智慧網絡卡主要的應用場景有5個,分別為網路、儲存功能解除安裝;DPDK、SPDK和RDMA等技術整合;針對特定業務邏輯進行硬體加速;解決裸金屬儲存網路的安全隱患;業務端到端網路視覺化。

王瑞雪稱,5G引入後,邊緣計算開始蓬勃發展,運營商網路正在從自動化向智慧化演進,從聚焦業務快速發放向資料高效處理、網路高效運維轉變。

對於運營商來說,其採用的網路功能基本都是標準化的,智慧網絡卡目前產業標準化相對並沒有那麼成熟,對運營商造成了一定的解耦壓力。如何實現解耦標準化工作,將是運營商落地智慧網絡卡時的重點。

二、芯啟源:2018年啟動第一代智慧網絡卡研發,解決方案覆蓋硬體到軟體

芯啟源智慧網絡卡產品總監張遠超則帶來了芯啟源在DPU和智慧網絡卡領域的技術創新和解決方案。

南京DPU晶片創企芯啟源成立於2015年。第二年,芯啟源收購了美滿Marvell TCAM專案並落戶南京。

芯啟源產品主要分為“5G+IDC”和“EDA+IP”兩個部分。其中,智慧網絡卡是芯啟源在“5G+IDC”領域的重要產品。據張遠超分享,芯啟源可以提供DPU晶片、智慧網絡卡、標準驅動、行業軟體、程式設計SDK等從硬體到軟體的完整架構。

隨著SDN、NFV和網路安全等諸多方向的發展,行業迫切需要軟硬體的融合和更加高效靈活的網路來釋放CPU算力。

2018年,芯啟源啟動了第一代智慧網絡卡SmartNIC專案研發,支援OVS資料面解除安裝;兩年後,芯啟源開發部推出了Corigine DPU,採用全可程式設計DPU晶片,支援豐富的資料面、控制面解除安裝和虛擬化支援。目前,芯啟源已和中國移動合作成立了移動聯合實驗室,並獲得了中國移動的第一個智慧網絡卡訂單。

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三、阿里雲:高效能網路挑戰在於時延

阿里雲網絡架構師張彭城重點分享了阿里雲在高效能網路領域的探索和實踐。

從2013年起,阿里雲就開始搭建Network企業級網路架構。在2017年之前,阿里雲在這一領域開始推動架構標準化、規模化和網路虛擬化的演進。2017年後,阿里雲做了超大規模架構,並透過自主軟硬體研發,實現了資料中心網路架構的自主可控。

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在這個過程中,阿里雲發現,高效能網路的挑戰就在於時延。最近這一兩年,阿里最近開始探索匯流排+網路的擴充套件方向。一方面匯流排網路的特點在於效能較好,但是擴充套件性較差。如果將其放入網路中,則擴充套件性較好、但效能較差。

因此阿里雲在這一領域問出了3個問題,希望能夠和其他廠商合作完成回答。第一個是融合後採用了什麼協議,是PCIE/CXL還是Ethernet?第二個是用什麼樣的硬體載體來承載這樣的技術?第三個來說,Fat-tree網路架構是否還適用於匯流排+網路的模式?

四、奧工科技:高頻寬、低延遲、智慧化為資料中心發展趨勢

計算方案服務商奧工科技的資深工程師張翼飛則主要分析了各種高效能計算平臺的特點和優勢。

高效能計算網路大致分為3類,第一類是叢集管理網路和硬體平臺監控網路,第二個是儲存網路,第三類為用於高效能計算的計算網路。常見的乙太網、FC網路就分別是第一類和第二類高效能計算網路。

計算網路則是三類中最重要的一種,InfiniBand具有高頻寬、低延時的網路特性,常常被用於計算節點的資料互動和資料傳輸。

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因為資料中心的發展,網路在資料中心的地位越來越重要,英特爾、英偉達都在這一領域有所佈局。在儲存領域,分散式儲存越來越成熟,而分散式儲存需要依賴於複雜、高頻寬、穩定性強的網路,進一步促進了網路技術發展。此外,GPU也是一個重要的高效能計算場景,InfiniBand網路加上英偉達的GPU能夠幫助整個叢集實現多級多卡業務執行。

張翼飛提到在網路頻寬、延時的不斷最佳化下,奧工科技正在嘗試將分散式儲存用於高效能計算場景上。未來,技術發展,高效能計算、大資料分析、人工智慧等平臺對於網路要求會越來越複雜。資料中心網路會趨於高頻寬、低延遲、智慧化的發展趨勢。

五、騰訊雲:銀杉智慧網絡卡將於今年年末上線,實現三大技術突破

騰訊雲智慧網絡卡研發負責人任凱重點分享了騰訊雲智慧網絡卡的應用。任凱稱,騰訊雲智慧網絡卡有4個應用場景比較典型。

第一個是客戶自建KVM雲遊戲框架,客戶可以採用虛擬化VDI雲桌面模板快速生產不同規模的虛擬機器,按照應用靈活部署。第二個是透過物理機部署辦公雲桌面叢集,可以解決企業自己部署虛擬雲桌面的需求。第三個是音影片RTP業務,該業務對網路處理能力要求比較高,騰訊雲透過硬體解除安裝的方式提升網路效能,以滿足業務場景。最後一個是雲原生容器化場景,騰訊雲可提供容器化排程物理機能力,以降低成本,提升效能。

任凱預計,FPGA+SoC解決方案在200Gbps時,將碰到芯片面積的物理上限和單卡功耗上限。這也促使不少FPGA廠商轉向FPGA+ASIC的混合方案。但這一方案的長期演進風險較高,值得警惕。

騰訊在2020年研發了第一代自研智慧網絡卡“水杉”。第二代銀杉智慧網絡卡正在研發中,預計在今年末上線。第三代智慧網絡卡還在專案構建階段,預計於2023年上線。

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在騰訊雲自研智慧網絡卡的過程中,實現了一些技術突破。分別為軟硬協同熱遷移、彈性網絡卡/雲盤密度和網路效能。

3個技術突破中用到的關鍵技術有自研vDPA技術、Net/Blk全場景支援、硬體自定義標髒、自研軟硬體協同、資源池化管理和CQ聚合技術、自研VirtIO_net硬體後端核心IP、自研vSwitch Fastpath硬體解除安裝和自研vSwitch offload高度軟硬協同的硬體驅動層等。

六、邁普:2大產品針對算力和安全問題

網路產品及解決方案供應商邁普的規劃部總經理雷曉龍也發表了演講,其演講主題為國產智慧網絡卡在信創雲場景的應用。

他指出,近幾年,行業主流已認可信創產業是新基建、產業數字化轉型發展的基石,國資雲這個概念更是反覆出現在行業視野中。

邁普認為,在這一領域中,有3個問題最為直觀和重要。第一個是算力問題,目前信創CPU算力和非國產的x86體系有一定差距。第二個是安全問題,信創本身要解決供應鏈安全、資訊保安等,其對於業務和資料安全的訴求是最高的。第三個則是信創的適配問題,其產業成熟度有待於進一步完善,信創體系相容性有待進一步提升。

針對這些問題,邁普著重推出了2個針對性產品。一個是彈性裸金屬智慧網絡卡,另一個是安全增強型網絡卡。

其中彈性裸金屬智慧網絡卡基於FPGA和飛騰CPU架構,資源消耗降低了50%,主要針對裸金屬自動部署和業務解除安裝。安全增強型網絡卡則是以國產ASIC/FPGA晶片為核心,內建可重構處理器技術。

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七、天翼雲:智慧網絡卡產品已在虛擬化、GPU場景測試

中國電信旗下天翼雲的智慧網絡卡處於內測階段。天翼雲高階工程師、硬體加速器負責人孫曉寧重點回顧了其產品的建立和發展過程。

2020年,中國電信在工作會上確立雲改數轉戰略,以自身的數字化轉型,推動全社會數字化轉型。為此,中國電信提出了新建系統100%上雲,存量系統三年上雲的目標,希望從根本降本增效,助推企業數字化轉型。

在資料中心流量不斷加大的情況下,中國電信天翼雲推出了基於ASIC架構的智慧網絡卡。在網路加速方面,其採用了RoCE v2技術、vxlan隧道技術和ovs ct功能。

孫曉寧稱,天翼雲智慧網絡卡產品目前已經在虛擬化場景、GPU場景應用測試,之後將把虛擬化技術應用到ASIC和FPGA架構上。

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八、英偉達:DPU讓3U一體成為現實

晶片廠商英偉達的網路亞太區市場開發高階總監宋慶春則強調,傳統的馮諾依曼架構已經不適應當前的資料中心要求。

當資料在CPU和GPU間的通訊延遲超過1微秒時,再怎樣以傳統網路思維提升頻寬、降低延遲也不能使延遲低於1微秒。

英偉達認為,應當建立以資料為中心的新型計算架構,如果資料需要用CPU處理,就應當放在CPU上;如果資料需要GPU處理,它就放在GPU上。

為此,英偉達提出了DPU這個概念,這並非意味著把DPU用來處理CPU原來做的事。DPU正確的使用方法應當是透過面向不同的加速引擎對不同的操作做解除安裝,再透過CPU或是其他處理器來做控制平面的解除安裝或是網路寫作,讓CPU解除安裝的工作依賴於專業處理器,進行資料加速。

英偉達的BlueField-2 DPU包括資料加解密引擎等很多加速引擎,可以在不使用CPU核的情況下進行資料加解密。此外,BlueField-2還包含Arm CPU、專用網路晶片和處理其餘任務的加速晶片。

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而客戶透過英偉達的DOCA軟體,可以輕鬆地構建BlueField生態系統。英偉達建立了DOCA開發社群,使用者可以在裡面完整看到DOCA的指導檔案、參考應用舉例和各種編譯工具等。

宋慶春還給出了BlueField-2 DPU的IPsec TCP效能。理想情況下,如果想要達到90G的加解密速度,需要消耗60個CPU核。相比之下,10個DPU核就可以處理90G的頻寬。他指出,透過DPU,資料中心可以將CPU、GPU、DPU捏合成一個標準架構,不論是單一晶片還是資料中心都可以達到統一架構,這就是DPU的價值所在。

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結語:上下游廠商助力智慧網絡卡規範化

在資料量級呈指數增長的今天,DPU概念一出,立馬吸引了眾多國際巨頭、創企進入。如何降低虛擬化資源損耗,提升網路頻寬和時延成為了智慧網絡卡、晶片廠商的終極謎題。

本次研討會上,來自上下游的廠商都給出了自己的思考和疑問,相信在產業鏈的共同努力下,這一新興賽道將在標準化和規範化上取得進展。

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