详细分析DPU认识的四个层级

1 （背景）云计算复杂计算场景挑战

云计算是由IaaS、PaaS以及SaaS组成的分层服务体系，计算、存储和网络是IaaS层核心的三类服务。

云计算的特点：

超大的规模、大量的数据、复杂的网络以及无处不在的安全问题；

虚拟化、多租户；

复杂系统解构以及可扩展性；

繁重的工作负载以及针对特定场景的服务；

可迁移性，和对设备和服务接口一致性的要求。

底层硬件架构挑战：

如何兼顾性能和灵活性；

从业务异构加速、工作任务卸载，到业务和管理分离；

如何实现接口的标准化和弹性，以及硬件加速的虚拟化和个性化；

如何实现硬件加速的弹性和支持软件的长期迭代；

如何硬件高可用；

最大挑战：一个平台应对上述所有挑战。

2 （理论）软硬件融合综述

2.1 软硬件融合的背景

软件应用层出不穷，并且快速迭代。两年一个新的软件热点，并且，已有热点技术仍在快速演进和迭代。

而硬件越来越复杂，芯片工艺走向5nm以下，甚至即将进入亚纳米，3D堆叠封装，4D的Chiplet互联。这都使得芯片规模越来越大。芯片如此复杂，越来越难以驾驭；同时，芯片的一次性成本及研发风险都变得越来越高。

CPU性能瓶颈，但服务器的工作负载数量和单个负载的算力消耗仍在增加，“摩尔定律”要想持续，必须需要更多更复杂的硬件加速。而ASIC/DSA的灵活性不够，难以满足应用的多样和变化，也使得芯片越来越难以大规模落地。

软硬件之间的鸿沟越拉越大：CPU软件性能低下，定制ASIC难以大规模复制；软件迭代越来越快，硬件迭代却越来越慢。芯片高投入高风险，严重制约着软件的发展。

2.2 软件和硬件的定义

指令是软件和硬件的媒介，指令的复杂度（也即单位计算的密度）决定了系统的软硬件解耦程度。

按照指令的复杂度划分，典型的处理器平台大致分为CPU、协处理器、GPU、FPGA、DSA、ASIC等。从左往右，各个处理器平台的单位指令越来越复杂，性能越来越好，而灵活性却越来越低。

我们把任务在CPU运行，定义为软件运行；把任务在协处理器、GPU、FPGA、DSA或ASIC运行，则定义为硬件加速运行。

2.3 软硬件融合

把一个Workload映射到处理引擎，有如下特点：

均衡：根据任务特点，映射到CPU、GPU、DSA、ASIC等最合适的处理引擎。

动态：任务最合适的处理引擎，并非一成不变，而是随着系统发展迭代有可能Offload/Onload。

复杂的系统，由分层分块的各个组件有机组成。软硬件融合，不改变系统层次结构和组件交互关系，但打破软硬件的界限，通过系统级的协同，达成整体最优。

传统分层很清晰，下层硬件上层软件；软硬件融合的分层分块，每个任务模块都是不同程度软硬件解耦基础上的软硬件协同。整个系统呈现出：软件中有硬件，硬件中有软件，软硬件融合成一体。

《软硬件融合》图书的副标题是“超大规模云计算架构创新之路”，来源是：①复杂分层的系统、②CPU性能瓶颈、③超大规模以及④特定场景服务，这些原因共同使得：软硬件融合当前主要是系统不断卸载。

“无规模，不卸载”。哪些任务适合卸载？

性能敏感，占据较多CPU资源；

广泛部署，运行于众多服务器。

宏观的看，分层的系统，越上层越灵活软件成分越多，越下层越固定硬件成分越多，根据这个特点，软硬件融合卸载可以形成如下趋势：

被动的趋势。庞大的规模以及特定场景服务，使得云计算底层Workload逐渐稳定并且逐步Offload到硬件。

主动的趋势。软硬件融合架构，使得“硬件”更加灵活，功能也更加强大，使得更多的层次功能向“硬件”加速转移。

2.4 软硬件融合的应用领域

云计算的规模庞大，算力要求最高，系统也最复杂。所以，云计算最先遇到各种挑战，最需要软硬件融合。

未来，随着其他领域的算力需求和系统复杂度也质的提升，必然也需要软硬件融合相关技术。软硬件融合，面向未来复杂计算场景，超异构混合计算，算力需求再上1-2个数量级。

软硬件融合相关技术，从云计算抽象出来，反过来指引包括云计算在内的各种复杂计算场景的芯片及系统设计。

3（技术）软硬件融合技术基础

软硬件融合相关的技术包括：

软硬件接口。聚焦软件和硬件高效的数据交互；

高性能网络。例如RDMA和拥塞控制。

算法加速和任务卸载。算法硬件实现以及任务卸载框架。

虚拟化的硬件加速。虚拟化处理的高性能实现。

异构计算加速平台。独立/集成的GPU/FPGA/DSA异构加速平台。

4（场景）DPU/IPU，云计算软硬件融合的核心承载

4.1 CPU卸载视角：DPU是集成加速平台

需要有独立的加速平台，不断的把工作任务从CPU软件卸载到硬件加速。因此，DPU/IPU主要用于底层通用任务加速，而GPU/FPGA/DSA用于应用层的业务加速。

NVIDIA 2020年5月发布DPU，10月份大张旗鼓宣传；作者2020年8月份提出四阶段论；Intel 2021年6月份发布IPU。

4.2 DPU的额外价值：业务管理分离，释放AI强劲动力

业务和管理分离，有非常多的额外好处，如：

CPU资源完全交付；

传统客户方便上云；

主机侧独立安全域；

物理机+虚拟机的优势合并；

统一公有云和私有云运维。

CPU性能瓶颈，IO带宽持续增大，IO成为系统瓶颈。DPU/IPU增强了IO的功能，并且逐渐吞噬CPU和GPU的通用工作任务。

4.3 以数据为中心

大数据、AI等场景呈现“高数据量低计算量”的特点，并且“云原生”等趋势使得云计算复杂系统解构，进一步增强了这一特点。

以计算为中心，指令控制流驱动计算；未来，以数据为中心，数据流驱动计算。

4.4 DPU/IPU典型案例

典型案例：AWS Nitro系统 （偏通用可编程）vs NVIDIA Bluefield DPU （偏定制极致性能）。

AWS Nitro系统包括：VPC加速卡、EBS加速卡、本地存储加速卡、Nitro控制器、安全芯片以及Lite Hypervisor。

NVIDIA DPU-2的优势：硬件网络加速/RDMA网卡/单芯片SOC；劣势：存储软件卸载/非标接口/难以差异化/网络无法数据面编程。

5（本质）基于软硬件融合的超异构计算

5.1 DPU成为计算的核心

CPU、GPU和DPU，既相互协作，又相互竞争。互联网法则：得入口者得天下。DPU/IPU成为数据中心算力和服务的核心。

传统的观点，大家认为DPU是CPU的任务卸载。而从软硬件融合观点，则认为：DPU是包含嵌入式CPU/GPU在内的超异构计算平台，而独立CPU/GPU是DPU的扩展。

5.2 超异构和软硬件融合

当前，大家对DPU的认识还没有形成定论，从DPU到超异构计算，整个认识是逐级增强的：

Level 1：DPU是CPU的任务卸载/加速。

Level 2：IPU是基础设施，支撑上层应用。

Level 3：DPU/IPU是计算的核心，CPU和GPU成为扩展。

Level 4：DPU/IPU的本质是超异构计算，需要在极致灵活性的基础上，提供极致的性能。

要实现超异构计算，为什么需要软硬件融合架构（Converged Architecture of Software and Hardware，CASH）？软硬件融合能够做到：

性能。相比GPGPU，性能再提升100+倍；相比DSA，性能再提升10+倍。

灵活性。接近于CPU的灵活性、通用可编程性。

资源效率。跟DSA接近的资源效率，单位晶体管消耗下最极致的性能。

设计规模。软硬件融合，驾驭10+倍更大规模的设计。

架构。基于软硬件融合架构的超异构计算：CPU + GPU + DSA + ASIC + etc.。

生态。开放的平台及生态，开放、标准的编程模型和访问接口，融合主流开源软件。

5.3 第四代算力革命：基于软硬件融合的超异构计算

审核编辑：刘清