智东西内参|行业首部DPU白皮书出炉！比肩CPU/GPU的数据时代核芯，巨头纷纷入场

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近日，中科院计算所行业首次发布了报告《专?数据处理器 (DPU)白皮书》。DPU（Data Processing Unit）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撑基础设施层资源虚拟化，支持存储、安全、服务质量管理等基础设施层服务。DPU正在开启一个巨大的产业化趋势，可以为下一代数据中心、5G边缘计算、云计算提供核心组件。2020年NVIDIA公司发布的DPU产品战略中将其定位为数据中心继CPU和GPU之后的“第三颗主力芯片”，掀起了一波行业热潮。DPU的出现是异构计算的一个阶段性标志。
本期的智能内参，我们推荐中科院计算所的报告《专?数据处理器 (DPU)白皮书》，重点分析DPU产生的背景、技术特征、软硬件参考架构，应用场景和发展趋势。
来源中科院计算所
《专?数据处理器 (DPU)白皮书》
作者：鄢贵海等
一、什么是DPU？1、怎么理解DPU的“D”与GPU的发展类似，DPU是应用驱动的体系结构设计的又一典型案例；但与GPU不同的是，DPU面向的应用更加底层。DPU要解决的核心问题是基础设施的“降本增效”，即将“CPU处理效率低下、GPU处理不了”的负载卸载到专用DPU，提升整个计算系统的效率、降低整体系统的总体拥有成本（TCO）。DPU的出现也许是体系结构朝着专用化路线发展的又一个里程碑。
DPU中的“D”有三种解释：（1）Data Processing Unit，即数据处理器。这种解释把“数据”放在核心位置，区别于信号处理器、基带处理器等通信相关的处理器对应的“信号”，也区别于GPU对应的图形图像类数据，这里的“数据”主要指数字化以后的各种信息，特别是各种时序化、结构化的数据，比如大型的结构化表格，网络流中的数据包，海量的文本等等。DPU就是处理这类数据的专用引擎。
（2）Datacenter Processing Unit，即数据中心处理器。这种解释把数据中心作为DPU的应用场景，特别是随着WSC（Warehouse-scale Computer）的兴起，不同规模的数据中心成为了IT核心基础设施。目前来看，DPU确实在数据中心中使用前景非常广阔。但是计算中心的三大部分：计算、网络、存储，计算部分是CPU占主导，GPU辅助；网络部分是路由器和交换机，存储部分是高密度磁盘构成的的RAID系统和SSD为代表非易失性存储系统。在计算和网络中扮演数据处理的芯片都可以称之为Datacenter Processing Unit，所以这种说法相对比较片面。
（3）Data-centric Processing Unit，即以数据为中心的处理器。Data-centric，即数据为中心，是处理器设计的一种理念，相对于“Control-centric”即控制为中心。经典的冯诺依曼体系结构就是典型的控制为中心的结构，在冯诺依曼经典计算模型中有控制器、计算器、存储器、输入和输出，在指令系统中的表现是具有一系列非常复杂的条件跳转和寻址指令。而数据为中心的理念与数据流（Data Flow）计算一脉相承，是一种实现高效计算的方法。同时，现在试图打破访存墙（Memory Wall）的各种近存（Near-memory）计算、存内（In-memory）计算、存算一体等技术路线，也符合数据为中心的设计理念。
总体来说，DPU有四大应用方向，应用于网络、存储和安全场景：
1、DPU最直接的作用是作为CPU的卸载引擎，接管网络虚拟化、硬件资源池化等基础设施层服务，释放CPU的算力到上层应用；
2、DPU可以成为新的数据网关，将安全隐私提升到一个新的高度。在网络环境下，网络接口是理想的隐私的边界，但是加密、解密算法开销都很大，例如国密标准的非对称加密算法SM2、哈希算法SM3和对称分组密码算法SM4。如果用CPU来处理，就只能做少部分数据量的加密。在未来，随着区块链承载的业务的逐渐成熟，运行共识算法POW，验签等也会消耗掉大量的CPU算力。而这些都可以通过将其固化在DPU中来实现，甚至DPU将成为一个可信根。

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