數(shù)據(jù)處理器(DPU)行業(yè)概覽（2021）
今天分享內(nèi)容來源頭豹“中國數(shù)據(jù)處理器行業(yè)概覽（2021）”，重點(diǎn)分析DPU定義、分類、技術(shù)路線、產(chǎn)業(yè)鏈、商業(yè)模式、主流應(yīng)用場景以及全球競爭格局。
文章來源：智能計算芯世界
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DPU產(chǎn)品最初主要游有一定市場和技術(shù)儲備的成熟網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)商以及芯片巨頭 提供，包括Mellanox，Netronome，Broadcom，Cavium。隨著數(shù)據(jù)流量的暴漲以 及CPU算力瓶頸的凸顯，中小企業(yè)亦開始布局DPU市場，例如BittWare與Ethernity 等。DPU市場處于早期階段，技術(shù)路線與產(chǎn)品形態(tài)均不明確，中小企業(yè)試錯成本 高，難以迅速發(fā)展。云計算廠商巨頭包括亞馬遜以及華為云通過收購優(yōu)質(zhì)的DPU 企業(yè)或自研DPU用于自身部署。
國際DPU市場上，英偉達(dá)、英特爾以及博通均推出了多款產(chǎn)品，數(shù)據(jù)的傳輸速率以及存儲的讀寫速率分別達(dá)到40Gbps以及32Gbps。中國本土DPU企業(yè)起步較晚，數(shù)據(jù)的傳輸速率以及存儲的讀寫速率分別為10Gbps與8Gbps，與國際頭部廠商有著1-2代的技術(shù)差距。同時，本土企業(yè)DPU商用化不足，在性能上以及可靠性上都無法滿足當(dāng)代云計算廠商的需求。
速向100Gbps發(fā)展。數(shù)據(jù)中心算力提升遭遇瓶頸，難以匹配快速增長的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，激發(fā)DPU需求。此外，CPU相對更適合處理串行的復(fù)雜指令操作，對大量并行的固定模式計算并不適用，例如網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議棧（TCP/IP）等。
DPU本質(zhì)作用在于承載網(wǎng)絡(luò)側(cè)專用性的網(wǎng)絡(luò)堆棧算法和傳輸協(xié)議運(yùn)算轉(zhuǎn)移，核心效用在于釋放CPU算力資源、助力其他計算模塊高效處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。相對而言，傳統(tǒng)網(wǎng)卡僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路的傳輸，故而CPU承擔(dān)存儲、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)加密等繁雜事務(wù)，占用大量業(yè)務(wù)計算資源。
DPU可基于FPGA、MP（Multi-core，MP)與ASIC三類核心處理器進(jìn)行設(shè)計；產(chǎn)品實現(xiàn)角度：已商用的DPU產(chǎn)品形態(tài)包括“ASIC+GP”（NVIDIA等采用）、“ASIC+NP”（華為等采用）。
差異化技術(shù)路徑滿足用戶差異化需求：基于FPGA、MP、ASIC的DPU在性能、成本、可編程性等方面的表現(xiàn)存在較大差異，供應(yīng)商可通過不同處理器組合的技術(shù)路徑，實現(xiàn)單點(diǎn)突破的產(chǎn)品模式，或?qū)で蟛煌枨簏c(diǎn)之間的平衡。
云數(shù)據(jù)中心流量高速增長，軟件加速、嵌入式CPU加速方案將逐漸被DPU替代；FPGA與SoC是DPU主流的技術(shù)路線，在性能、成本以及靈活性上實現(xiàn)了較為理想的平衡。
DPU是網(wǎng)卡與處理器的結(jié)合，具備傳輸與計算的能力。早期，Intel為對抗異構(gòu)芯片（CPU+專用芯片）的趨勢，推出了軟件加速（SR-IOV、DPDK）與嵌入式CPU的加速方案。軟件加速與嵌入式CPU都存在性能上限，無法滿足當(dāng)前數(shù)據(jù)中心需求，因此逐漸被DPU替代。
嵌入式CPU逐漸被DPU替代，削弱了Intel在服務(wù)器處理器的市場份額以及影響力；服務(wù)器處理器有望形成DPU、GPU、CPU三足鼎立的狀態(tài)；NVIDIA通過收購Mellanox積極布局DPU，搶占市場。憑借在GPU的絕對優(yōu)勢以及未來DPU的發(fā)力，NVIDIA有望在服務(wù)器處理器三大芯片中占據(jù)其二，替代Intel的霸權(quán)地位。
DPU產(chǎn)線向上游采購三類處理器，采購方式包括外購、同廠跨部門采購等，DPU產(chǎn)線基于底層處理器開發(fā)更為專用的計算、傳輸?shù)裙δ?；中國DPU行業(yè)下游市場發(fā)展成熟，數(shù)通市場需求擴(kuò)容速度最快，電信市場存在潛在底層需求，或驅(qū)動下一輪數(shù)通市場對DPU需求釋放。
DPU產(chǎn)線上游EDA市場已在全球范圍形成較為成熟、全面、分工明晰的產(chǎn)品線，EDA三巨頭已通過兼并購形成壁壘。中國本土EDA廠商可通過行業(yè)資源整合、定制化產(chǎn)品路線突圍。
DPU采用10/14納米先進(jìn)工藝，集成的IP數(shù)量多，設(shè)計成本高；在NPU、BPU等專用產(chǎn)線，中國IP核市場取得突破，在CPU、GPU等通用處理器市場，中國IP核積累不足。
隨著先進(jìn)制程的演進(jìn)，線寬的縮小使得芯片中晶體管數(shù)量大幅提升，單顆芯片中可集成的IP數(shù)量也因此大幅增加。IP可幫助降低芯片的開發(fā)難度、縮短芯片的開發(fā)周期并提升芯片性能。隨著先進(jìn)工藝的升級，IP核數(shù)升級為芯片設(shè)計廠商帶來的收益呈現(xiàn)邊際遞減趨勢。中國IP產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，難以為中游DPU設(shè)計廠商提供有力支持，限制DPU新興市場的發(fā)展。
中國IP產(chǎn)業(yè)目前已實現(xiàn)在接口IP細(xì)分領(lǐng)域的國產(chǎn)替代，但在處理器類芯片的IP產(chǎn)出較少。在人工智能芯片領(lǐng)域，以寒武紀(jì)為代表的本土廠商在NPU IP細(xì)分市場已有較強(qiáng)的影響力；地平線在BPU IP細(xì)分市場取得重大突破。
數(shù)通領(lǐng)域是DPU最大的應(yīng)用市場，可為終端政企用戶提供較為成熟的硬件加速解決方案；隨著NFV技術(shù)的演進(jìn)，電信市場對DPU的需求將逐步釋放。
網(wǎng)絡(luò)虛擬化（NFV）是5G關(guān)鍵技術(shù)之一。NFV技術(shù)推動下，運(yùn)營商對于邊緣計算開放生態(tài)、降本增效、縮減部署周期的訴求愈發(fā)明晰。邊緣計算是賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、可靠性要求嚴(yán)苛，進(jìn)而激發(fā)電信行業(yè)對DPU硬件加速技術(shù)的需求。
中國本土初創(chuàng)DPU供應(yīng)商：前期資本充足的情況下，初創(chuàng)DPU團(tuán)隊可自主研發(fā)處理器微架構(gòu)，該類企業(yè)或?qū)⒊蔀橥苿覦PU國產(chǎn)替代的主力；以高級軟件自研為核心的初創(chuàng)企業(yè)通過定制化服務(wù)方案積累第一批熟客，以平均低于境外同類服務(wù)>10%的價格，滿足并理解中國云計算市場復(fù)雜應(yīng)用場景的需求。
全球DPU供應(yīng)商：收并購擴(kuò)充產(chǎn)線是DPU頭部供應(yīng)商鞏固現(xiàn)有市場地位的慣用手段。初創(chuàng)企業(yè)通過相同技術(shù)與產(chǎn)品難以顛覆頭部企業(yè)的市場地位，只有結(jié)合商業(yè)模式以及邏輯上的創(chuàng)新才有機(jī)會突破頭部企業(yè)的封鎖。
2020 年 ， 中國DPU產(chǎn)品主要由 NVIDIA（Mellanox）、Intel與Broadcom三家企業(yè)提供，其中Mellanox憑借在網(wǎng)卡上積累的優(yōu)勢，占據(jù)市場龍頭位置。中國DPU市場規(guī)模預(yù)計在2025年達(dá)到40億美元。通常數(shù)據(jù)中心帶寬升級周期在3年左右。中國將在2023-2025年進(jìn)入下一輪服務(wù)器設(shè)備以及DPU更換周期，DPU市場規(guī)模有明顯的增幅。
數(shù)通市場是DPU最大的應(yīng)用市場，其中裸金屬服務(wù)器對DPU存在剛需。DPU在電信市場的應(yīng)用主要為邊緣計算場景，滲透率不足5%。針對智能駕駛領(lǐng)域的DPU仍在探索階段，預(yù)計在2023年DPU才有望布局在智能駕駛領(lǐng)域。
數(shù)通市場：數(shù)據(jù)中心2-3年迭代一次，DPU隨數(shù)據(jù)中心帶寬的升級而迭代。2020年，頭部云計算廠商買入400G數(shù)據(jù)中心時代，對DPU的需求為25G/40G。預(yù)計到2023年，數(shù)據(jù)中心將升級至800G，屆時云計算廠商需要升級100G DPU。
數(shù)據(jù)中心帶寬升級，出于成本與算力需求考慮云計算廠商同時會在當(dāng)年更換1/3的DPU。在隨后2年里，算力需求持續(xù)增加，更換老舊服務(wù)器（服務(wù)器的生命周期通常在4-5年）的性價比更高。
電信市場：5G技術(shù)要求網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)“大容量、大帶寬、大聯(lián)結(jié)、低延遲、低功耗”驅(qū)動了DPU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。此時，在MEC邊緣云上，可將消耗CPU資源高的業(yè)務(wù)卸載至DPU上，釋放邊緣機(jī)房CPU的算力，降低機(jī)房功耗，同時提升邊緣業(yè)務(wù)體驗。
智能駕駛：未來智能駕駛汽車可看做一個小型數(shù)據(jù)中心，并伴有大量的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)、交換和存儲。為降低車載終端在無線側(cè)的傳輸時延，每輛智能駕駛汽車有望配備至少兩塊DPU。
5G時代，自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)等智能駕駛相關(guān)業(yè)務(wù)為行業(yè)帶來了高帶寬、低時延以及大聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò)需求。自動駕駛業(yè)務(wù)中輔助駕駛要求時延為20～100ms，而自動駕駛要求時延可低至3ms。DPU在車載終端的部署可提升終端處理能力并降低時延。
全球DPU市場排名前三的企業(yè)包括NVIDIA、Intel與Broadcom，在技術(shù)積累與市場渠道上優(yōu)勢顯著。其中，NVIDIA通過收購優(yōu)質(zhì)標(biāo)的，在DPU市場實現(xiàn)彎道超車。
DPU市場是 各 大 芯 片廠商新戰(zhàn) 場 。NVIDIA 、 Intel 以 及Broadcom陸續(xù)發(fā)布旗下的DPU（Intel與Broadcom定義為智能網(wǎng)卡），分別位列市場前三。NVIDIA通過收購Mellanox，其產(chǎn)品在時延與功能均位居市場第一。
超低時延：Mellanox在InfiniBand領(lǐng)域技術(shù)專利第一。相比于以太網(wǎng)技術(shù)，InfiniBand具備高帶寬、低時延的優(yōu)勢。Mellanox也因此在時延上領(lǐng)先于Intel與Broadcom。在25G及以上的網(wǎng)卡領(lǐng)域，Mellanox市場份額領(lǐng)先于Intel，位列市場第一。中國初創(chuàng)企業(yè)25G網(wǎng)卡中使用的網(wǎng)絡(luò)芯片多基于Mellanox的CX5與CX6（ConnectX-6）架構(gòu)上研發(fā)。
RDMA業(yè)界獨(dú)一檔：RDMA最初是InfiniBand網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，最后移植在以太網(wǎng)技術(shù)上。Mellanox在InfiniBand網(wǎng)絡(luò)上提前布局，因此在RDMA的開發(fā)上具備天然的優(yōu)勢。NVIDIA通過收購Mellanox ，其DPU產(chǎn)品RDMA功能的實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與性能上都領(lǐng)先Intel與Broadcom。
DPU是芯片異構(gòu)趨勢下的產(chǎn)物。英偉達(dá)是芯片異構(gòu)的擁護(hù)者，期望通過發(fā)力DPU狙擊英特爾。英特爾CPU“一招吃遍天下”的模式與異構(gòu)相違背。因此，為順應(yīng)大趨勢，英特爾亦大力布局FPGA以及DPU。
來源：智能計算芯世界
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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
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