算力正逐步成为新时代的核心生产力，算力的发展同步带动了网络的变革。过去很长一段时间，CPU主导了大部分算力市场，而随着人工智能应用的爆发性增长，CPU在图像渲染、并行计算能力不足的弱点被暴露出来。GPU（Graphics Processing Unit）的芯片架构更适合大规模AI模型训练和图像处理，成为了数据中心的第二大算力芯片。
然而随着5G、云计算的推进，数据量爆发式增长，CPU摩尔定律红利殆尽，实现卸载算力的DPU（Data Processing Unit）应运而生，定位于“第三颗主力芯片”。
什么是DPU？能实现哪些功能？
在后摩尔时代，数据中心网络传输速率逐步迈向100Gbps，使得DPU成为时代发展的必然。但DPU也不是横空出世，在智能网卡（Smart NIC）上早有端倪。简单来说，智能网卡的核心作用在于减轻CPU算力负担，相比于传统网卡（Traditional NIC）负责数据链路的传输、网络堆栈算法和协议，智能网卡承担了更多的存储、安全、网络的功能，使得CPU能够专注处理更重要的任务。
图片来源：2021智能网卡行业概览
那么DPU与智能网卡是什么关系呢？还要从DPU这一概念的来源说起。2019年英伟达花费69亿美元收购了以色列的芯片公Mellanox，随后将自身已有技术与Mellanox的Connect X系列的高速网卡相结合，于2020年推出两款DPU产品名为BlueField-2和BlueField-2X，从此DPU概念逐渐进入了公众视野。英伟达创始人黄仁勋总结了DPU的3个特点：卸载、加速、隔离。首先DPU卸载了数据中心网络服务（虚拟交换、虚拟路由）、数据中心存储服务（RDMA、NVMe）、数据中心安全服务（防火墙、加解密）；其次DPU通过硬件实现并运行上述应用，达到“硬件加速”，运行效率成数量级提升；最后DPU不需要伴生于CPU，可以独立完成上述任务，起到了安全隔离的效果。总结来说DPU是以数据为中心构造的专用处理器，采用软件定义技术路线支持基础设施层资源虚拟化、存储、安全、服务质量管理等服务。
DPU功能实现的领域与智能网卡基本一致，这也是为什么博通称自己的泛DPU解决方案为Smart NIC。本质上来说，DPU相比于智能网卡并没有发生很大变化，但DPU可以用作独立的嵌入式处理器，也可以集成在智能网卡上。若非要区分二者，不如说DPU是智能网卡的扩展升级版。
为什么是DPU？
根据中国联通研究院测算，25Gbps带宽时网络处理消耗了50%CPU算力；50Gbps带宽时将消耗100%CPU算力；到了5G时代也就是100Gbps带宽时，将消耗超过150%CPU算力。因此CPU算力的增长速率与数据中心网络传输速率增长速度差距逐渐拉大，催生了协处理器的需求。同样为协处理器、甚至是AI算力核心的GPU不能承担起更多的任务吗？答案是否定的。GPU是执行规制计算的主力芯片，其在数据并行任务中表现突出，如图形渲染、深度学习、矩阵运算等。然而在CPU、GPU“双子星”格局中，CPU仍是主角，GPU是配角，具体而言GPU无法单独工作，仅当需要处理大量的统一类型数据时，CPU才会调用GPU进行并行计算，GPU更是一种伴生存在。
相比之下，DPU自带内核并拥有独立的操作系统，工作时不需要被CPU调配，还可以建立自己的总线系统，从而控制其他设备，无疑成为“异构计算”的主力。与CPU进行图形处理不够高效类似，其处理大量基础层应用也比较低效，例如网络协议处理、交换路由计算、数据压缩、数据加解密等，这些底层计算工作给了DPU极大的发挥空间，一方面实现了CPU的算力卸载，另一方面DPU更专注于数据处理，通过硬件加速提升了整个任务的工作效率。
图片来源：专用数据处理器（DPU）技术白皮书，中国科学院计算技术研究所，鄢贵海等
图片来源：中科驭数
DPU的应用场景
DPU的独立计算能力使其具备了更加丰富的应用场景，部分应用终端不用CPU只用DPU也可以满足需求。据赛迪顾问统计，2025年我国DPU市场将达到565.9亿元，5年复合增速达170.60%。目前来看数据中心仍是DPU最主要的应用场景，其中包含了互联网的云厂、非云厂、通信运营商、金融机构、信创等领域。互联网云厂商的需求最旺盛，2021年中国区DPU出货量中接近80%需求来自于云厂，预计未来几年DPU需求结构也会相对稳定。此外车载方案、交换机网络设备、特种行业移动场景都对DPU有着可观的需求。
DPU的未来
过去CPU既是计算中心也是网络数据处理中心，后摩尔时期网络带宽的增加，传统CPU的算力不堪重负。短期来看DPU将与CPU、GPU分工协作，其中CPU负责整个IT生态的定义及处理通用计算任务，GPU负责数据并行的任务如图形图像、深度学习、矩阵运算等加速计算任务，DPU则承担起安全、网络、存储等其它专用业务的加速处理。
图片来源：专用数据处理器（DPU）技术白皮书，中国科学院计算技术研究所，鄢贵海等
从更长的时间维度来说， DPU将成为核心引擎，推动数据中心基础架构的颠覆性变革，从以计算为中心转向以数据为中心。通过DPU提供的数据传输和分发能力，使得CPU、GPU、存储和加速器等可以在不同的位置或物理机上，各资源互相协同工作。数据转发不再需要CPU参与，DPU可以直接将数据送达GPU和CPU，时延上可以得到数量级的减少。
图片来源：专用数据处理器（DPU）技术白皮书
当前 DPU赛道中充斥了大大小小的众多厂商，其中不乏英伟达、英特尔、AMD、博通这些芯片巨头，同时也有着互联网云厂和一批初创企业。但目前业界对DPU尚无明确的标准和定义，在9月2日第二届Smart NIC & DPU技术创新峰会上，参会企业都分享了自己的产品思路和对未来DPU发展的观点。尽管各家的DPU架构、定位不尽相同，但都是基于不同领域的实际需求所提出的解决方案。我们相信也期待着DPU将带来生态的发展、时代的变革。
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