隨著云計算和虛擬化技術的發展，網卡在功能和硬件結構方面也經歷了四個階段，即網卡、智能網卡、基于FPGA的DPU和DPU SoC網卡。本文將重點介紹這些不同類型的網絡適配器和處理器，在硬件、可編程能力、開發和應用方面的特點。

網卡的演進和應用

傳統的基本網卡，也被稱為NIC或網絡適配器，在計算機網絡中的作用至關重要。它的主要功能是將數據轉換為網絡設備之間高效傳輸所需的格式。隨著時間的推移，網卡的功能不斷擴展，除了融合額外功能，還具備基本的硬件卸載功能，例如CRC校驗、TSO/UF0、LSO/LR0以及VLAN支持等。它還支持SR-IOV以實現虛擬化和QoS以提升網絡性能。在網絡接口帶寬方面，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。

在云計算虛擬化網絡中，傳統的基本網卡提供了三種主要方法來為虛擬機提供網絡訪問。

1. 通過操作系統內核協議棧，網卡將傳入的流量轉發到虛擬機。

2. DPDK用戶態驅動程序繞過內核協議棧，直接將數據包復制到虛擬機的內存中，以提高性能。

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

隨著VxLAN等隧道協議和虛擬交換技術等網絡復雜性的增加，對CPU資源的需求也越來越高。智能網卡通過從CPU中卸載網絡處理任務，提升整體網絡性能，從而應對這一挑戰。

智能網卡的演進和應用

智能網卡不僅提供傳統基本網卡中的網絡傳輸功能，還融合數據平面硬件卸載功能，例如使用FPGA或集成處理器與FPGA和處理器核心的OVS/vRouter硬件卸載。這些智能網卡提升云計算網絡的轉發速率，并減輕主機CPU的計算資源負擔。

與傳統的網卡不同，智能網卡不包含通用的CPU。相反，它們依賴主機CPU來管理控制平面。智能網卡卸載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卸載、RDMA網絡卸載、NVMe-oF存儲卸載和IPsec/TLS數據平面安全卸載等任務。

然而，隨著云計算應用中網絡速度的不斷提高，主機CPU仍然需要大量的資源用于流量分類、跟蹤和控制。實現主機CPU的“零消耗”已成為云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。

基于FPGA的數據處理單元（DPU）的演進和應用

基于FPGA的數據處理單元（DPU）是一種智能網卡，可以卸載數據并具有平面控制功能。它在控制平面和數據平面上都是部分可編程的。在硬件方面，它包括一個基于FPGA的通用CPU處理器，例如英特爾CPU。

與智能網卡相比，基于FPGA的數據處理單元（DPU）通過整合通用CPU處理單元來增強硬件架構，形成了FPGA+CPU架構。這種配置有助于加速和卸載各種基礎設施組件，包括網絡、存儲、安全和管理。目前，主流形式的DPU是FPGA+CPU配置，基于這種架構的DPU具有出色的軟件和硬件可編程性。

在DPU的早期開發階段，它提供了更短的開發時間和快速迭代，便于快速定制功能。這使得DPU制造商能夠快速推出產品并抓住市場機遇。然而，隨著網絡帶寬從25G過渡到100G，基于FPGA+CPU的DPU架構由于芯片工藝和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網卡的演進和應用

與基于FPGA的架構不同，基于應用專用集成電路（ASIC）的DPU SoC將專用加速器的性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服務器，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可支持應用管理、虛擬機、容器和裸金屬應用。

DPU技術正在不斷發展，通用可編程的DPU SoC現在對于云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絡資源，支持多樣化的云計算場景，并優化數據中心資源利用率。芯片巨頭和領先的云服務提供商在DPU的研究、開發和利用方面進行了重大投資，通過持續的探索和實際實施取得了顯著的成本效益。

亞馬遜云中的DPU

亞馬遜網絡服務（AWS）是一家以Nitro DPU系統作為關鍵技術基礎的頂級云計算服務提供商。Nitro DPU系統可以高效地將網絡、存儲、安全和監控功能卸載到專用的硬件和軟件上。這使得服務實例可以訪問大部分的服務器資源，從而大幅降低成本并增加年收入。Nitro DPU系統由多個組件組成：

1. Nitro卡：用于網絡、存儲和控制的專用硬件，以提升整體系統性能。

2. Nitro安全芯片：將虛擬化和安全功能轉移到專用的硬件和軟件上，減小攻擊面，確保安全的云平臺。

3. Nitro虛擬化管理程序：一種輕量級的虛擬化管理程序，高效地管理內存和CPU分配，提供與裸金屬相當的性能。

通過提供關鍵的網絡、安全、服務器和監控功能，Nitro DPU系統可以釋放底層服務資源供客戶虛擬機使用。它使得AWS可以提供更多的裸金屬實例類型，甚至能夠為特定實例實現高達100Gbps的網絡性能。

英偉達（NVIDIA）DPU

英偉達（NVIDIA）是一家知名的半導體公司，以其在高性能計算領域的圖形處理單元（GPU）而聞名。該公司于2020年4月以69億美元收購了網絡芯片和設備公司邁絡思（Mellanox）。在收購之后，英偉達（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的網絡連接，并為軟件定義的網絡、存儲、安全和管理功能提供卸載、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以太網連接的先進網絡設備。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實現基礎設施卸載，并充當運行基礎設施應用程序的主機控制點，提供了額外的安全層。將所有基礎設施服務從服務器卸載到IPU中，釋放服務器CPU資源，并為云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是基于FPGA的IPU產品，而Mount Evans IPU是基于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，結合用于數據包處理的ASIC和16個ARM Neoverse N1核心，具備強大的計算能力。

阿里云中的DPU

阿里云是DPU技術探索的前沿。在2022年的阿里云峰會上，他們發布了基于神龍架構開發的云基礎架構處理器CIPU。CIPU繼承了其前身MoC卡（卡上微服務器）的功能和定位，與DPU的定義相吻合。MoC卡具有獨立的I/O、存儲和處理單元，并處理網絡、存儲和設備虛擬化任務。MoC卡經歷了四個發展階段：

第一代和第二代MoC卡解決計算虛擬化的零開銷挑戰，通過軟件實現了網絡和存儲虛擬化。

第三代MoC卡引入了增強的網絡轉發功能，顯著提高了網絡性能。

第四代MoC卡實現了網絡和存儲操作的完全硬件卸載，并支持RDMA功能。

阿里云的CIPU專為飛天系統設計，對于構建新一代綜合軟硬件云計算架構系統至關重要。

火山引擎DPU

火山引擎致力于推進自主開發的DPU技術，采用軟硬集成的虛擬化方法，提供彈性和可擴展的高性能計算服務。他們的第二代彈性裸金屬服務器和第三代云服務器都配備了自主研發DPU。這些DPU經過了廣泛的測試，以確保其在各種應用中的功能和適應性。 2022年推出的第二代彈性裸金屬實例將物理機的穩定性和安全性與虛擬機的靈活性相結合，代表了高性能云服務器的新一代。 2023年上半年發布的第三代云服務器實例將火山引擎最新的DPU架構與專有的虛擬交換機和虛擬化技術集成在一起，顯著提高了網絡和存儲I/O性能。 通過結合自主開發的DPU、虛擬交換機和虛擬化技術，Volcano Engine旨在提供可擴展和高效的高性能計算解決方案，以滿足云計算不斷演變的需求。