本文參考自“未來網(wǎng)絡(luò)：SmartNIC DPU技術(shù)白皮書”,，從核心處理器角度來分析，目前 SmartNIC 架構(gòu)主要有 3 類，分別基于 FPGA,， MP （ mulTI-coreprocessors）和 ASIC,。

　　1、基于 FPGA 的架構(gòu)

　　微軟研究院是以 FPGA 作為智能網(wǎng)卡核心可編程處理器的重要代表,。圖 2-1 描述了微軟一系列設(shè)計(jì)架構(gòu)的演進(jìn),。2014 年，微軟提出了基于高端 FPGA——Altera StraTIx V D5 的 Shell（通用邏輯）+Role（可重構(gòu)處理邏輯）的可重構(gòu)數(shù)據(jù)中心云服務(wù)加速方案,，用于解決商用服務(wù)器滿足不了飛速增長的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求,、定制化加速器成本開銷大且靈活性不足的問題。

　　如圖（a）所示,，其中 Shell 為可重用的通信,、管理、配置等通用邏輯,，包含 2 個(gè) DRAM 控制器（管理 FPGA 上的 2 塊 DRAM）,、4 個(gè) 10 Gbps 輕量級 FPGA 間串行通信接口 SerialLite 3、管理 DMA 通信的 PCIe 核,、路由邏輯（用于管理來自 PCIe,，Role，SerialLite 3 的數(shù)據(jù)）,、重新配置邏輯（用于讀,、寫、配置 Flash）,、事件翻轉(zhuǎn)邏輯（用于階段性的監(jiān)督 FPGA 狀態(tài)以減少錯(cuò)誤）,；而 Role 則位于 FPGA 芯片的固定區(qū)域中，是與用戶加速應(yīng)用緊密相關(guān)的邏輯,，可以將 Bing 搜索排序邏輯映射到 Role 中進(jìn)行加速,。

　　在 Catapult 設(shè)計(jì)中，考慮到 FPGA 的管理和使用,，同機(jī)架下的所有 FPGA 以 6×8 的 2 維 Torus 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男问浇M成一套新的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,，可以將同機(jī)架下的所有 FPGA 作為加速資源使用。但是,，使用第 2 套網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方式：

　　一方面,，增加了網(wǎng)絡(luò)的開銷和容錯(cuò)管理；另一方面,，對于網(wǎng)絡(luò)流,、存儲流、分布式應(yīng)用僅能提供有限的加速,。此外,，機(jī)架內(nèi)的 2 維 Torus 直連使得用戶對跨機(jī)架的 FPGA 資源無法進(jìn)行有效的使用,。

　　微軟在2016 年的研究工作中對 Catapult 進(jìn)行了改進(jìn)，將 FPGA網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)融合,，提出了新的云加速架構(gòu)設(shè)計(jì),。如圖（b）所示，在 StraTIx VD5 FPGA 板卡上設(shè)計(jì)了 2 個(gè) 40 Gbps 的 QSFP端口,，分別與主機(jī)端已有的普通網(wǎng)卡和架頂交換機(jī)（ToR）相連接，對應(yīng)地,，在新的 Shell設(shè)計(jì)中,，原來 Catapult 的 4 端口 SerialLite 3 被替換為輕量級傳輸層（LTL）引擎用于處理 2 個(gè) 40Gbps 端口。

　　微軟在 2018 年的研究中將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）棧卸載到其二代智能網(wǎng)卡,，用以更好地支持 SR-IOV,。如圖（c）所示，此時(shí),，二代智能網(wǎng)卡已將通用網(wǎng)卡和高端 Intel Arria 10 FPGA 集成到 1 個(gè)板卡上,，對外的 ToR 端口已經(jīng)達(dá)到 50 Gbps，但從架構(gòu)上而言并無實(shí)質(zhì)的變化,，仍然采用將 FPGA 放置在通用網(wǎng)卡和 ToR 數(shù)據(jù)通路之間的設(shè)計(jì),，用于高效地處理數(shù)據(jù)流，提供路徑上的網(wǎng)絡(luò)功能,、特定應(yīng)用加速,。微軟在后來的研究中指出，鑒于當(dāng)前可編程網(wǎng)卡,、可編程交換機(jī)的硬件條件支持,，充分利用可編程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成高效的全網(wǎng)可編程云將成為一種趨勢。

　　除微軟外,，Mellanox,、Intel、Xilinx 等也相繼推出基于 FPGA 的智能網(wǎng)卡類產(chǎn)品：

　　1）Mellanox 推出了 Innova 系列基于 Xilinx Kintex UltraScale 高端 FPGA 的智能網(wǎng)卡,，包含 Innova 和 Innova-2 Flex 共 2 代產(chǎn)品,。

　　2）Intel 則推出了基于 2 大類可編程 PCIe 加速卡，其中基于Arria10/Arria10 GX FPGA 的可編程加速卡 Intel FPGA PAC N3000,，用于加速協(xié)議棧處理,、NFV 等應(yīng)用[1]；此外,，另有基于 StraTIx 10 SX 的可編程加速卡 IntelFPGA PAC D5005,，面向數(shù)據(jù)流分析、視頻編碼轉(zhuǎn)換,、金融,、人工智能、基因分析等領(lǐng)域。

　　3）Xilinx 推出的網(wǎng)卡包括 XtremeScale X2 和 8000 共 2 個(gè)系列以太網(wǎng)卡,。其中,，X2 系列產(chǎn)品是面向數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)，帶寬達(dá)到10/25/40/100 Gbps,，其 Cloud Onload 旁路內(nèi)核技術(shù),、TCP-Direct 技術(shù)與 X2 的結(jié)合可以在負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)庫緩存,、容器應(yīng)用,、網(wǎng)頁服務(wù)方面減輕操作系統(tǒng)的開銷，提高性能,。

　　2,、基于MP的架構(gòu)

　　另一種得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可的智能網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)方式為采用片上多核的方式來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可編程加速處理，多數(shù)使用片上系統(tǒng)（system  on chip,，SoC）的實(shí)現(xiàn)方案,，使用的處理器核可以是專用的網(wǎng)絡(luò)處理器（network processor，NP）,，如 Netronome NFP 系列,、Cavium Octeon系列，也可以是通用處理器（general processor,，GP）,，如 ARM。下文將從網(wǎng)絡(luò)處理器和通用處理器兩個(gè)方面進(jìn)行介紹,。

　　1）基于 NP-SoC 的智能網(wǎng)卡

　　Netronome 早期在 2016 年推出了 NFE-3240 系列用于網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)應(yīng)用的智能網(wǎng)卡,，對數(shù)據(jù)包可達(dá)到 20 Gbps 的 C 語言可編程線速處理。在 2018,，2019 年,，Netronome 陸續(xù)推出了 3 大系列 Agilio 智能網(wǎng)卡：

　　①面向計(jì)算節(jié)點(diǎn)的 Agilio CX,，基于 NFP-4000 或者 NFP-5000 網(wǎng)絡(luò)處理器,，可以完全卸載虛擬交換機(jī)對網(wǎng)絡(luò)功能中數(shù)據(jù)平面的處理、卸載典型的計(jì)算密集型任務(wù),；

　?、诿嫦?Bare-Metal 服務(wù)器的Agilio FX，基于 NFP-4000 網(wǎng)絡(luò)處理器和 4 核 ARM v8 Cortex-A72CPU（可運(yùn)行 Linux OS）,；

　?、勖嫦蚍?wù)節(jié)點(diǎn)的 Agilio LX，基于 NFP-6000 網(wǎng)絡(luò)處理器,，主要用于虛擬化,、非虛擬化的 X86 服務(wù)節(jié)點(diǎn)和廣域網(wǎng)網(wǎng)關(guān),。Agilio 系列產(chǎn)品支持靈活的包解析和 Match-Action 處理，可以進(jìn)行 eBPF,、C,、P4 編程。

　　Cavium 推出基于 cnMIPS III 網(wǎng)絡(luò)處理器的 LiquidIO 系列智能網(wǎng)卡,。其中,，cnMPIS III 是 Cavium 公司實(shí)現(xiàn)的基于 MIPS64 指令集架構(gòu)（instruction set architecture，ISA）的 Octeon 系列第 3 代產(chǎn)品,，此外,，Octeon 系列產(chǎn)品中還有基于 ARM 的產(chǎn)品。

　　2）基于 GP-SoC 智能網(wǎng)卡

　　Mellanox 除了推出基于 FPGA 的 Innova 系列可編程智能網(wǎng)卡,，還推出了基于 BlueField IPU（I/O processing unit）系列可編程智能網(wǎng)卡，支持 Ubuntu,、Centos 系統(tǒng),。其中 BlueField 初代產(chǎn)品集 ConnectX-5 控制器、ARM v8 A72 處理器陣列（最多 16 核,，0.8 GHz）,、8/16 GBpsDDR4 內(nèi)存控制器于一體，最大支持雙端口 25/50/100 Gbps 的以太網(wǎng)或者 Infiniband 網(wǎng)絡(luò)連接,。

　　BlueField-2（也屬于一種 DPU）則集成了最新的 ConnectX-6 控制器,，仍然使用 ARM 處理器陣列，可支持單口200Gbps 以太網(wǎng)或者 Infiniband 網(wǎng)絡(luò)連接,，該系列智能網(wǎng)卡可用于加速數(shù)據(jù)中心或者超算中的安全,、存儲、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及功能的卸載和加速,。

　　基于 MP 的智能網(wǎng)卡設(shè)計(jì)框架如圖所示,，均含有以下重點(diǎn)模塊：

　　①多種已經(jīng)成熟的加速部件,，如 Hash 計(jì)算,、加解密（Crypto）等等；

　?、谟糜谂c主機(jī)通信的 PCIe 接口,，多數(shù)支持 SR-IOV；

　?、鄱喾N與外設(shè)通信的接口,，如 I2C，JTAG 等,；

　?、茉L問智能網(wǎng)卡板上內(nèi)存的控制器,；

　　⑤片上 NP 或者 GP 多核,，用于 OVS,，RSS（receive side scaling）等網(wǎng)絡(luò)功能，以及用戶自定義功能,。NP 或者 GP 多核的具體片上布局會有差異,，多數(shù)設(shè)計(jì)采用 Mesh 方式，但也有例外,，如 MPPA 則采用多個(gè) Cluster 的方式,，Cluster 內(nèi)部共享內(nèi)存。

　　此外,，有的 NP 內(nèi)部含有多種處理器核,，如 Netronome NFP 系列 NP 內(nèi)部有包處理器核和流處理器核 2 大類，分別用于包的解析,、分類和數(shù)據(jù)流的處理,。

　　3、基于ASIC 的架構(gòu)

　　目前,，基于 ASIC 的智能網(wǎng)卡并不多,，ASIC 芯片主要以網(wǎng)絡(luò)控制器的角色出現(xiàn)在智能網(wǎng)卡中，如 Mellanox 的 ConnectX 系列,、Broadcom 的 NetXtreme 系列,、Cavium 的 FastLinQ 系列。此類 ASIC網(wǎng)絡(luò)芯片除了能夠滿足傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如 TCP,、RoCE）處理需求,，又具備一定的卸載 CPU 處理能力和可編程性。

　　以 Mellanox 最新的ConnectX-6 產(chǎn)品為例,，其在一定程度上提供對數(shù)據(jù)平面的可編程處理和硬件加速,，提供虛擬化、SDN 的支持,，可硬件卸載網(wǎng)絡(luò)虛擬化中的VxLAN,、NVGRE等協(xié)議，卸載網(wǎng)絡(luò)安全中的部分加解密運(yùn)算,，支持 NVMe-oF 等用于存儲場景的存儲協(xié)議處理,，支持 GPU-Direct 等機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用場景中數(shù)據(jù)零拷貝的低延時(shí)通信。

　　4,、架構(gòu)對比

　　上述 3 種主要架構(gòu)的對比如下：

　?。?）在性價(jià)比方面，基于 ASIC 的智能網(wǎng)卡,，基本上可以滿足多數(shù)通用網(wǎng)絡(luò)處理的應(yīng)用場景,，可以在預(yù)定義的范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)平面進(jìn)行可編程處理,，并提供有限范圍內(nèi)的硬件加速支持，如果是批量使用,，在性價(jià)比上會有較大的優(yōu)勢,。

　　（2）在編程復(fù)雜度方面,，基于 ASIC 的智能網(wǎng)卡雖不及基于 MP的智能網(wǎng)卡那么簡單,，卻也遠(yuǎn)易于基于 FPGA 的智能網(wǎng)卡。

　?。?）在使用靈活性方面,，基于 ASIC 的智能網(wǎng)卡相比于其他的智能網(wǎng)卡靈活性最差，對于更復(fù)雜的應(yīng)用場景則顯得力不從心,，更明確的來說,，單純基于 ASIC 的智能網(wǎng)卡應(yīng)該稱之為卸載網(wǎng)卡，因?yàn)槠淇删幊绦圆⒉煌耆?/p>

　　從長遠(yuǎn)的角度分析,，其定制化的邏輯,，對于已經(jīng)成熟的應(yīng)用場景雖然能夠提供顯著的性能提升，但是隨著時(shí)間的推移,，新的應(yīng)用場景對智能網(wǎng)卡將會提出新的功能要求,。目前,，很多廠家采用 ASIC+GP 的設(shè)計(jì)方式來解決這一問題,，類似 Mellanox 的 BlueField產(chǎn)品（集成了 ConnectX-5 和 ARM）。同時(shí),，商家不斷地更新 ASIC 產(chǎn)品,，將成熟的技術(shù)定制化到網(wǎng)卡中，如 ConnectX 系列已更新到第6代,?？梢姡w系結(jié)構(gòu)中靈活性和性能之間的競爭依然在繼續(xù),。

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