長期以來，CPU一直被視為計算處理設備的支柱，GPU則用於處理實時圖形。然而，近來備受矚目的是數據處理單元——DPU。

SmartNIC/ DPU

自20 世紀80 年代末以來，網絡接口卡(NIC) 取得了長足的發展。然而，儘管它們在當時是很先進的，但也僅限於兩台計算機之間或本地網絡上的簡單連接。

SmartNIC是可編程網卡，它涵蓋了常規NIC 之外的額外計算資源。SmartNIC的可編程資源可以由Arm 內核、網絡處理單元(NPU)和其他可編程單元組成。

很多人將DPU 視為SmartNIC發展的下一步。

DPU 是可編程設備，可以通過硬件加速來協助數據處理。SmartNIC 則將服務器與網絡有效連接，其可編程組件配置有加速器，能夠高效處理數據，從而釋放服務器空間用於應用程序處理，但不適用於多任務處理。雖然SmartNIC 在某種程度上可以完成DPU 的工作，但兩者構成和功能並不相同。

SmartNIC提供廣泛的數據存儲和可編程性，但它需要DPU提供更多的虛擬化能力。SmartNIC管理的數據有一定的上限，但當與DPU協同使用時，可以突破數據限制，從而創造出可靠的可編程技術，帶來更高的網絡處理能力。

在很多情況下，SmartNIC和DPU 的概念經常互換使用。

據研究機構數據顯示，2019 年至2022 年，國內外企業都申請了眾多涉及DPU和相關智能網卡的專利，其中英特爾排名第一，華為排名第二，谷歌排名第三。AMD、英偉達等芯片和處理器製造商已經致力於開發和製造DPU。華碩、戴爾和超威已與使用英偉達DPU的系統集成。AWS 也是DPU的主要用戶。

為什麼現有網絡設施需要集成SmartNIC / DPU?

服務器負擔過重

摩爾定律的持續壓力每兩年就會推動半導體技術的小型化。量子隧道效應、損耗層尺寸的減小以及寄生電容的發展導致了服務器集成電路中的互連瓶頸。硬件尺寸的減小推動了服務器更快地擴展，並增加了CPU的總體成本。

儲存及交付

預測顯示2040 年將進入千兆字節時代，網絡基礎設施因存儲數據和按需提供數據而不堪重負。為了減輕服務器的負擔，SmartNIC / DPU基礎設施為數據中心提供了數GB 的額外存儲，從而釋放足夠的CPU 週期來執行高價值的企業任務並存儲關鍵信息。

電力消耗

不斷增加的服務器工作負載與電源管理所需的額外硬件和設備相關。這種硬件消耗額外的電力，增加了網絡基礎設施管理的成本。配電單元、備份和冷卻機制可以一定程度上幫助解決問題，但SmartNIC / DPU基礎設施直接不需要額外硬件的部署，總耗電量隨著核心數的減少而降低。

防禦攻擊

SmartNIC / DPU基礎設施能夠在硬件級執行網絡安全功能，包括數據包包裝、散列、壓縮和解壓、加密和解密、密碼算法、防火牆以及DDoS 攻擊防禦。SmartNIC / DPU可以在不干擾服務器的情況下處理安全操作並消除任何威脅。最新的SmartNIC / DPU具有防火牆和先進的DDoS 攻擊防禦機制，支持分佈式安全系統。

集成SmartNIC / DPU基礎設施的要求

SmartNIC / DPU 可以滿足對高性能、低延遲和安全數據傳輸日益增長的需求。但SmartNIC / DPU的實施需要可靠的網絡基礎設施。以下是集成SmartNIC / DPU基礎設施的一些重要要求。

高連接性

網卡通常用於低帶寬且速度在10 Gbps的網絡基礎設施中。SmartNIC / DPU基礎設施更適合支持大帶寬、處理高網絡流量、網速超過100 Gbps的大型企業，通過多個網絡層進行套接字加速，以卸載和節省服務器週期，用於特定於應用的高價值任務。

超低延遲

SmartNIC / DPU的實施在有線基礎設施中表現最佳，需要執行高速計算的網絡使用InfiniBand SmartNIC / DPU基礎設施。在此類網絡中，遠程直接內存訪問( RDMA ) 允許直接訪問另一台計算機的內存，在不涉及內核的情況下提供超低延遲。

傳統基礎設施更適用於以太網，並且在實施SmartNIC / DPU時面臨著複雜性。基於融合以太網的RDMA 支持基於以太網的SmartNIC / DPU基礎設施，提供低延遲和更高的吞吐量。

複雜的網絡架構

SmartNIC / DPU適用於企業和大型雲提供商的client-server模型的服務器端。軟件定義網絡(SDN)、網絡功能虛擬化(NVF)、高速計算和復雜基礎設施等網絡架構為SmartNIC / DPU實現硬件加速提供了條件。

來自電信、SaaS、電子商務和流媒體平台等行業的分佈式雲計算公司部署了成百上千個智能網卡進行加速。這些大型組織擁有提供微服務和處理大數據的網絡架構。

網絡交換機兼容性

一個網絡可以使用多種類型的網絡交換機。SmartNIC / DPU與網絡中的現有硬件(如交換機、操作系統)的兼容性和可配置性至關重要。

某些SmartNIC / DPU可能與網絡基礎設施不兼容，需要為現有網絡交換機選擇兼容的SmartNIC / DPU，包括接口、協議、可編程性、配置和用例。

SDN集成

大型企業往往使用SDN 在全球多個工作場所連接、管理和加速其工作流程。在此類網絡中集成SmartNIC / DPU基礎設施可以減輕SDN 集中控制器任務，從而有效管理網絡。

由於SmartNIC / DPU是可編程的，因此它們可以加速SDN 中路由器和交換機的數據平面和特定應用的任務，包括流量轉發、數據包過濾、加密和解密、防火牆等。

NFV功能

SmartNIC / DPU還用於採用NFV 的網絡中。由於多個虛擬機運行在共享物理基礎設施中，從而消除了對專用硬件的需求，因此NFV 網絡需要實施SmartNIC / DPU基礎設施。

這類似於在數據網絡中部署虛擬微服務器，每個網絡都有自己的資源。NVF 加速的例子包括虛擬可擴展LAN、微分段和負載平衡。

在網絡基礎設施中實施SmartNIC / DPU後，網絡團隊可以將重點轉向管理SmartNIC / DPU。SmartNIC / DPU基礎設施部署後的定期質量檢查是智能持續加速的關鍵。SmartNIC / DPU可以對網絡、存儲和安全功能本身進行定期審查。有效的網絡管理可通過監控軟件和關鍵指標確保SmartNIC / DPU的無縫性能。

監控工具不斷收集和分析數據，例如延遲、速度、吞吐量和丟包。一旦工具或SmartNIC / DPU檢測到錯誤，就必須自動排除故障以獲得解決方案。除了故障排除，網絡管理還確保SmartNIC / DPU基礎設施的定期更新，以滿足最新的技術需求。此外，網絡編排平台還可以自動配置SmartNIC / DPU以符合當前的安全操作法規和標準。

小結

將SmartNIC / DPU與現有網絡設施集成，是確保其成功應用於實際生產環境的關鍵。這種無縫融合可以提高整體性能和效率，降低主機處理器負載，並支持網絡虛擬化，為企業帶來更大的靈活性和可管理性。同時，SmartNIC / DPU的高級網絡功能也能夠增強網絡的安全性，保護企業的數據和資產。

隨著技術的不斷進步和需求的不斷變化，SmartNIC / DPU將繼續發揮著關鍵作用，為網絡性能的持續優化和應用程序處理的提升做出貢獻。我們可以預見，未來網絡將更加智能、高效，並為企業帶來更多創新的可能性。