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智能網(wǎng)卡萌發(fā)的主要原因為CPU算力相對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的差距持續(xù)擴(kuò)大，激發(fā)網(wǎng)絡(luò)側(cè)專用計算需求，且智能網(wǎng)卡可搭載多元化功能如虛擬交換、存儲、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)加密等。

本文來源頭豹“2021中國智能網(wǎng)卡（SmartNIC）行業(yè)概覽”，包括智能網(wǎng)卡行業(yè)綜述、行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、行業(yè)驅(qū)動因素、智能網(wǎng)卡行業(yè)壁壘以及智能網(wǎng)卡企業(yè)介紹。

下載地址：2021中國智能網(wǎng)卡行業(yè)概覽

CPU算力增長速度與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸速率增長速度差距逐漸拉大，催生了智能網(wǎng)卡的需求。后摩爾時代下，CPU算力無法按照摩爾定律增長，提升遭遇瓶頸，而數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)向高帶寬和新型傳輸體系發(fā)展，其網(wǎng)絡(luò)傳輸速率邁向100Gbps，且未來快速向200Gbps與400Gbps發(fā)展。

智能網(wǎng)卡作用為靈活卸載CPU不適合的處理任務(wù)，滿足數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡(luò)處理需求并兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議生態(tài)。其核心作用在于減輕CPU算力負(fù)擔(dān)并讓其處理更重要的任務(wù)。而傳統(tǒng)的網(wǎng)卡僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路的傳輸、網(wǎng)絡(luò)堆棧算法和協(xié)議，其他如存儲、網(wǎng)絡(luò)加解密和安全等功能會占用大量CPU資源。

智能網(wǎng)卡理論上可基于FPGA、MP與ASIC三類核心處理器進(jìn)行設(shè)計，而已商用的智能網(wǎng)卡產(chǎn)品形態(tài)為"ASIC+GP"和"NP+GP"，基于不同核心處理器的智能網(wǎng)卡類別及其特點(diǎn)。

全球智能網(wǎng)卡行業(yè)未來五年新增市場規(guī)模逐步攀升，主要得益于智能網(wǎng)卡方案的逐步成熟，疊加全球通用服務(wù)器出貨量的穩(wěn)定增長以及L3級別智能駕駛汽車的技術(shù)落地。

中國智能網(wǎng)卡行業(yè)在2023-2025年迎來高速增長，主要得益于新一輪服務(wù)器在網(wǎng)更新周期及各類云應(yīng)用普及率的提升中國智能網(wǎng)卡新增市場規(guī)模及預(yù)測。中國互聯(lián)網(wǎng)+云計算廠商更偏好采用中國自研的智能網(wǎng)卡產(chǎn)品，而非北美廠商如lntel、NVIDIA、Broadcom等，但中國廠商在技術(shù)上與北美廠商存在較大差距，且中國廠商缺乏商用經(jīng)驗，其產(chǎn)品大多停留在實(shí)驗室階段，量產(chǎn)存在困難。同時，不同廠家技術(shù)方案差異化巨大，導(dǎo)致服務(wù)器升級改造時易出現(xiàn)硬件不兼容的情況。

智能網(wǎng)卡產(chǎn)業(yè)鏈為從上游軟件側(cè)EDA、IP核、硬件側(cè)的制造和封裝到中游智能網(wǎng)卡的集成和供應(yīng)，再到下游云計算、通信和智能駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用。

EDA工具軟件可分為芯片設(shè)計輔助軟件、可編程芯片輔助設(shè)計軟件、系統(tǒng)設(shè)計輔助軟件等。Synopsys、Cadence、Mentors約占全球EDA市場份額的80%，占中國市場份額的90%。

IP核將一些在數(shù)字電路中常用但較為復(fù)雜的功能塊設(shè)計成可修改參數(shù)的模塊，主要有三種存在形式∶ HDL語言形式，網(wǎng)表形式和版圖形式。ARM占全球IP核市場份額的40.8%。

智能網(wǎng)卡上游EDA軟件主要應(yīng)用在可編程邏輯芯片設(shè)計中，其市場已在全球范圍內(nèi)形成較為成熟的競爭格局， EDA三巨頭通過兼并收購持續(xù)擴(kuò)大規(guī)模并占據(jù)全球80%市場份額。

EDA軟件主要應(yīng)用在可編程的邏輯芯片設(shè)計中，如FPGA芯片的設(shè)計。其設(shè)計流程主要為7個步驟，分別為設(shè)計準(zhǔn)備、設(shè)計輸入、功能仿真、邏輯綜合、布局布線、時序仿真、編程下載與硬件測試。

整個芯片設(shè)計流程需要用到的EDA工具有設(shè)計輸入編輯器、仿真器、HDL綜合器、適配器和編輯器。整個過程需要不停低迭代，直到通過功能仿真和時序仿真驗證。

EDA軟件行業(yè)在全球范圍內(nèi)已形成成熟的競爭格局，三大EDA巨頭Synopsys、Cadence和Mentor占據(jù)全球80%的市場份額。三大EDA巨頭總體在邏輯綜合工具、時序分析工具、模擬/混合信號定制化電路、版圖設(shè)計、布局布線工具相較于其他EDA軟件開發(fā)商有著絕對的優(yōu)勢。

智能網(wǎng)卡上游封測環(huán)節(jié)為集成電路制造的后道工序，對提升智能網(wǎng)卡芯片的穩(wěn)定性及制造水平尤為關(guān)鍵。未來高端集成電路國產(chǎn)化替代空間大，中國本土封測廠商市占率有望提升。

封測為IC制造的后道工序，分為封裝和測試，是提高IC穩(wěn)定性及制造水平的關(guān)鍵工序。封裝環(huán)節(jié)是將引線框架上的集成電路焊盤與引腳相連接以達(dá)到穩(wěn)定驅(qū)動集成電路的目的，并用塑封料保護(hù)集成電路免受外部環(huán)境損傷；廣義半導(dǎo)體測試工藝貫穿IC設(shè)計、制造、封測三大過程，包括驗證設(shè)計、晶圓檢測（CP）和封測環(huán)節(jié)中的成品檢測（FT）。

智能網(wǎng)卡產(chǎn)線的萌生受到數(shù)通市場需求的強(qiáng)驅(qū)動，其將網(wǎng)絡(luò)、存儲、操作系統(tǒng)中需要高性能的數(shù)據(jù)平面卸載到智能網(wǎng)卡以降低"數(shù)據(jù)中心稅"，讓CPU集中精力于客戶的應(yīng)用程序。

數(shù)據(jù)中心是進(jìn)行大規(guī)模計算、海量數(shù)據(jù)存儲和提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，人工智能和大數(shù)據(jù)的興起對算力的要求激增，然而，在后摩爾定律時代，CPU算力增長放緩，需要新的體系結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其算力、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫娴男阅?。同時，相比數(shù)據(jù)中心，云數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用類型和用戶交互方式更豐富，硬件更加定制化。資源虛擬化、分布式計算、定制化計算和細(xì)粒度計算是云數(shù)據(jù)中心的四大趨勢。

在四大趨勢下，從虛擬網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理四個方面產(chǎn)生的除用戶應(yīng)用程序外的"數(shù)據(jù)中心稅"不僅浪費(fèi)了 CPU資源，還導(dǎo)致應(yīng)用程序無法充分利用硬件的低延遲和高吞吐量。將虛擬網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等功能卸載至智能網(wǎng)卡上進(jìn)行處理，對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的性能和成本有重要意義。

數(shù)據(jù)中心分布式計算催生了高性能數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，而虛擬化、網(wǎng)絡(luò)功能、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理伴隨著巨大性能開銷。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理中，鍵值存儲通?；诠１韺?shí)現(xiàn)，高性能鍵值存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心稅吞吐量瓶頸可歸因為鍵值操作中的計算和隨機(jī)存儲器訪問中的延遲?；?CPU的鍵值存儲需花費(fèi)CPU周期來進(jìn)行鍵比較和哈希槽計算，KV-Direct可將鍵值處理從CPU移動到智能網(wǎng)卡上進(jìn)行。

基于虛擬交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化模型中，虛擬機(jī)發(fā)送和接收的每個數(shù)據(jù)包都需要由虛擬交換機(jī)（vSwitch）處理，與非虛擬化環(huán)境相比，這種額外的主機(jī)處理會降低性能和吞吐量，增加平均延遲，并增加CPU的使用率。

雖然軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)高層次虛擬化功能可以使用更多數(shù)量的CPU核來支持更高的性能，但這會加大資產(chǎn)和運(yùn)營成本。把硬件資源抽象成順序讀寫的套接字連接。存儲被抽象成文件系統(tǒng)。

對于分布式應(yīng)用程序普遍使用操作系統(tǒng)中的套接字原語進(jìn)行通信，而對于HTTP負(fù)載均衡器、DNS服務(wù)器、 Redis鍵-值存儲服務(wù)器等通信密集型的應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)占用了50%至90%的CPU時間，大部分用來處理套接字操作。

數(shù)據(jù)中心低延時、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以及虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)性能提升的迫切需求驅(qū)動著智能網(wǎng)卡的發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和硬件卸載等方面為CPU釋放寶貴資源。

智能網(wǎng)卡作為一種有編程能力的網(wǎng)卡，可以快速處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供高效的網(wǎng)絡(luò)I/O。傳統(tǒng)的網(wǎng)卡僅支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或Infiniband中的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而智能網(wǎng)卡除了傳統(tǒng) TCP/IP協(xié)議，還支持RoCE v1/v2、iWARP等加速數(shù)據(jù)通路的協(xié)議，進(jìn)而從CPU上卸載更多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理到網(wǎng)卡上，在數(shù)據(jù)中心中也能提供低延時、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

云計算場景下的虛擬化技術(shù)需要靠軟來實(shí)現(xiàn)Hypervisor，但伴隨巨大的性能開銷。虛擬機(jī)和物理機(jī)仍存在較大的性能差距，阿里云和亞馬遜等云廠商將虛擬化、網(wǎng)絡(luò)、存儲等相關(guān)組件卸載到智能網(wǎng)卡上，從而消除虛擬化、網(wǎng)絡(luò)和存儲組件帶來的開銷，提高虛擬機(jī)的性能。

5G技術(shù)要求網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)"大容量、大帶寬、大聯(lián)結(jié)、低延遲、低功耗"驅(qū)動了智能網(wǎng)卡在邊緣機(jī)房部署的可能。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，核心網(wǎng)部署在遠(yuǎn)端，傳輸時延較大，且無法滿足5G時代下數(shù)字化和智能化對算力的高要求。

為了分擔(dān)終端算力，將算力向云端移動，同時為了降低時延，將業(yè)務(wù)向邊緣移動。MEC部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，可以減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的轉(zhuǎn)發(fā)和處理時延，并降低終端成本。但隨著各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用匯聚在邊緣端，導(dǎo)致MEC邊緣云的計算開銷激增，而邊緣機(jī)房的供電、散熱及承重能力有限，無法通過堆加大量的X86 CPU來提升算力，且 CPU性能已無法按摩爾定律增長。

中國智能網(wǎng)卡廠商硬件性能較國際巨頭差距較大，落后原因為技術(shù)積累不足以及上游EDA和先進(jìn)制程工藝被外國掌控;智能網(wǎng)卡軟件行業(yè)進(jìn)入門檻較低，但中國本土企業(yè)創(chuàng)新速度同樣落后于國際巨頭智能網(wǎng)卡硬件壁壘。

中國網(wǎng)絡(luò)芯片的傳輸速率落后國際巨頭1-2代，停留在10Gbps。中國網(wǎng)絡(luò)芯片時延為5ms左右，與國際巨頭NVIDIA和Boradcom的網(wǎng)絡(luò)芯片時延高2-4ms。落后的主要原因為高傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)芯片是基于調(diào)制解調(diào)模型QAM完成的，而中國本土企業(yè)對OAM算法優(yōu)化程度不足，難以開發(fā)高速率網(wǎng)絡(luò)芯片；另外，25/40Gbps的網(wǎng)絡(luò)芯片采用的是10/14nm制程工藝，研發(fā)周期超過2年且研發(fā)成本超千萬，初創(chuàng)企業(yè)難以負(fù)擔(dān)。

中國處理芯片如FPGA門級數(shù)停留在千萬級，制程為28nm，而國際巨頭FPGA先進(jìn)制程為7/10nm，門級數(shù)過億。落后的主要原因為中國缺乏EDA工具，不能支持門級數(shù)過億的設(shè)計工作，且美國對中國施加EDA出口限制; 另外，14nm處理芯片產(chǎn)線開工成本高、若無一定訂單量支撐，芯片代工廠難以投產(chǎn)。

智能網(wǎng)卡功能的實(shí)現(xiàn)如VxLAN、RDMA、DPI等功能的開發(fā)難度相對較低，只需要研發(fā)團(tuán)隊對匯編語言和底層協(xié)議熟悉即可，但功能的創(chuàng)新研發(fā)速度相比國際巨頭至少落后半年，市面上的硬件與虛擬操作系統(tǒng)版本眾多，智能網(wǎng)卡企業(yè)難以做到同時兼容所有版本。

1、英偉達(dá)（NVIDIA）

全球可編程圖形處理技術(shù)領(lǐng)袖，是GPU（圖形處理器）的發(fā)明者，也是人工智能計算的引領(lǐng)者。英偉達(dá)2020Q1營收同比增長83.8%，游戲業(yè)務(wù)和加密貨幣為主要推動因素。

英偉達(dá)2021年Q1營收為56.6億美元，同比增長84%。英偉達(dá)擬以400億美元收購Arm，Am的芯片設(shè)計IP被廣泛應(yīng)用于各類終端市場，在全球移動芯片市場中，Arm架構(gòu)占比超過九成。收購Am可讓英偉達(dá)利用其數(shù)據(jù)中心智能網(wǎng)卡方面的領(lǐng)先地位，開創(chuàng)一個基于Arm架構(gòu)的服務(wù)器解決方案新時代，但目前此筆收購存在巨大不確定性。

數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)連創(chuàng)新高英偉達(dá)自收購Mellanox以來，其數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品表現(xiàn)強(qiáng)勁，下游客戶對以太網(wǎng)和InfiniBand需求旺盛。數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)已連續(xù)6季度營收創(chuàng)歷史新高。

2、英特爾（Intel）

半導(dǎo)體行業(yè)和計算創(chuàng)新領(lǐng)域的全球領(lǐng)先廠商，其SmartNIC C5020X和N5010智能網(wǎng)卡可將交換、存儲和安全等功能從服務(wù)器CPU上卸載并釋放CPU資源，提升數(shù)據(jù)中心性能。英特爾微處理器包括ltanium，Xeron，PentiumⅢ及Celeron等著名的品牌。

英特爾公司業(yè)績整體表現(xiàn)疲軟，主要原因為上游云廠商庫存去化和資本開支放緩，以及政企客戶需求降低。針對數(shù)據(jù)中心的10nm至強(qiáng)可拓展處理器IceLake也進(jìn)入交付階段。

英特爾2021年Q1營收為196.7億美元，同比下降0.78%。英特爾針對數(shù)據(jù)中心研發(fā)的最強(qiáng)數(shù)據(jù)中心處理器Ice Lake正式發(fā)布并進(jìn)入交付階段。其采用10nm制程工藝，并搭配英特爾傲騰持久內(nèi)存與存儲產(chǎn)品組合、以太網(wǎng)適配器、以及FPGA和經(jīng)過優(yōu)化的軟件解決方案，可在數(shù)據(jù)中心、云計算、5G和邊緣計算等領(lǐng)域提供強(qiáng)大的性能與工作負(fù)載優(yōu)化。

3、博通（Broadcom）

全球領(lǐng)先的有線和無線通信半導(dǎo)體公司，前身安華高科技（Avago Technologies）收購芯片制造商博通公司（Broadcom）；其智能網(wǎng)卡BCM58800采用了TruFlow技術(shù)，可在硬件上卸載OvS以及實(shí)現(xiàn)SDN等功能。

博通主營構(gòu)成為有線基礎(chǔ)設(shè)施和半導(dǎo)體及相關(guān)產(chǎn)品，銷售毛利率穩(wěn)步上升，其在路由器和交換機(jī)芯片市場份額第一，但在服務(wù)器處理器布局較少。

博通2021年Q1營收為132.65億美元，同比增長14.35%。博通業(yè)績增長的原因之一或為在半導(dǎo)體領(lǐng)域多次并購整合優(yōu)質(zhì)資源后顯現(xiàn)成效。博通在路由器與交換機(jī)芯片市場份額第一，但在服務(wù)器處理器的布局較少。博通發(fā)揮自身在網(wǎng)絡(luò)解決方案的優(yōu)勢，搶奪智能網(wǎng)卡市場，填補(bǔ)其在服務(wù)器處理器空白。

下載地址：2021中國智能網(wǎng)卡行業(yè)概覽

中國數(shù)據(jù)處理器行業(yè)概覽（2021）

DPU在數(shù)據(jù)中心和邊緣云上的應(yīng)用

英偉達(dá)DPU集數(shù)據(jù)中心于芯片

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中國智能網(wǎng)卡(SmartNIC)行業(yè)概覽（2021）