SmartNIC/DPU—主流厂商

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传统的智能网卡厂家

英伟达&＃xff08;NVIDIA&＃xff09;

2019 年英伟达收购以色列著名网络设备制造商 Mellanox。Mellanox 是端到端以太网和 InfiniBand 智能互联技术的绝对领导者。在收购之前 Mellanox 就已推出了多款智能网卡。

NVIDIA Mellanox ConnectX-6 Lx SmartNIC&＃xff0c;是一款高效且高度安全的 25、50Gb/s 以太智能网卡。这款产品专为满足现代化数据中心的需求而设计&＃xff0c;在这个市场&＃xff0c;25Gb/s 已成为各种主流应用的标准&＃xff0c;例如&＃xff1a;企业级应用、AI 和实时分析等。这款全新的 SmartNIC 充分利用了软件定义、硬件加速的引擎来扩展加速计算&＃xff0c;将更多的安全和网络处理工作从 CPU 卸载到网卡上来。

Mellanox ConnectX-6 Lx 提供&＃xff1a;

• 两个 25Gb/s 端口或一个 50Gb/s 端口、从主机到网络之间采用 PCIe Gen 3.0 或 4.0 x8。
• 安全功能&＃xff0c;包括硬件信任根&＃xff08;Hardware Root of Trust&＃xff09;、用于有状态 L4 防火墙的连接追踪&＃xff08;Connection Tracking&＃xff09;技术。
• IPSec 在线加密加速。
• GPU Direct RDMA 加速技术&＃xff0c;专为 NVMe over Fabrics&＃xff08;NVMe-oF&＃xff09;存储、可扩展加速计算和高速视频传输等应用加速。
• Zero Touch RoCE&＃xff08;ZTR&＃xff09;功能&＃xff0c;实现了高性能 RoCE&＃xff08;RDMA over converged Ethernet&＃xff09;网络的可扩展和易部署&＃xff0c;且无需配置交换机。
• 加速交换和数据包处理&＃xff08;Accelerated switching and packet processing &＃xff0c;ASAP2&＃xff09;技术&＃xff0c;内置面向虚拟化和容器化应用的 SR-IOV 和 VirtIO 硬件卸载引擎&＃xff0c;可加速新一代软件定义网络&＃xff0c;以及对于防火墙服务进行连接追踪。

英特尔&＃xff08;Intel&＃xff09;

2015 年 6 月&＃xff0c;Intel 宣布以 167 亿美元的价格收购全球第二大 FPGA 厂商 Altera&＃xff0c;成为该公司有史以来最贵的一笔收购&＃xff0c;随后 Intel 也在 Altera 的基础上成立了 Intel 可编程事业部&＃xff0c;且一直在推进 FPGA 与至强处理器的软硬件结合&＃xff0c;但却并没有能够进入大规模商用阶段。

三年后&＃xff0c;Intel 终于踏出了历史性的一步。2019 年 4 月 19 日&＃xff0c;Intel 宣布旗下的 FGPA 已经被正式应用于主流的数据中心 OEM 厂商中。具体来说&＃xff0c;戴尔 EMC PowerEdge R640、R740 和 R740XD 服务器集成了 Intel FPGA &＃xff0c;并且已经可以进行大规模部署&＃xff1b;而富士通即将发布的 PRIMERGY RX2540 M4 也采用了 Intel FGPA 的加成&＃xff0c;这款产品即将发布&＃xff0c;并已经支持重点客户提前使用。

上述 FGPA 主要指的是 Intel Arria 10 GX PAC&＃xff08;Programmable Acceleration Card&＃xff0c;可编程加速卡&＃xff09;&＃xff0c;同时 Intel 还为 OME 厂商提供一个面向包含 FPGA 的 Intel 至强可扩展处理器的 Intel 加速堆栈。二者结合起来&＃xff0c;就形成了一个完整的硬软件结合 FPGA 解决方案。

近期推出的 FPGA SmartNIC C5000X 云平台就是基于 Intel Xeon-D 处理器和 Intel Stratix 10 FPGA 实现的。

在 CPU 单核时代&＃xff0c;数据包经由网卡接收后均被送往唯一的 CPU 进行处理。随着多核时代到来&＃xff0c;就出现了负载均衡问题&＃xff0c;例如&＃xff1a;某些 Core 过载&＃xff0c;而另一些 Core 空载的情况。

为解决该问题&＃xff0c;RSS&＃xff08;Receive Side Scaling&＃xff09;技术先通过 HASH 操作将数据包发送到不同的 Core 上进行中断处理&＃xff0c;然后再经由 Core 间转发将数据包发送到运行目的应用所在的 Core 上。虽然负载看似在多 Core 上均衡了&＃xff0c;但由于 HASH 的抗碰撞特性&＃xff0c;大量数据包会被送到了不匹配的 Core上&＃xff0c;因而数据包的 Core 间转发成为性能瓶颈。

FDIR&＃xff08;Intel Ethernet Flow Director&＃xff09;通过将数据包定向发送到对应应用所在 Core 上&＃xff0c;从而弥补了 RSS 的不足&＃xff0c;可用来加速数据包到目的应用处理的过程。在新一代 Intel X800 系列 Smart NIC 中&＃xff0c;FDIR 有了更多的 Rules 空间硬件资源和更灵活的配置机制。

如同 Linux 提供了纯软件实现的 RSS 版本一样&＃xff0c;Linux 也提供了纯软件实现的 ATR&＃xff08;Application Targeting Routing&＃xff09;模式的 Flow Director&＃xff0c;称为 RFS&＃xff08;Receive Flow Steering&＃xff09;。尽管功能上等效&＃xff0c;但是 RFS 无法达到 FDIR 对网络性能的提升效果&＃xff0c;因为它必须通过某个 Core 来执行调度数据包&＃xff0c;而且该 Core 大概率不是目的应用所在的 Core。因此&＃xff0c;ATR 模式的 FDIR 可被看作 RFS 的智能卸载硬件加速方案。

博通&＃xff08;Broadcom&＃xff09;

博通的 Stingray SmartNIC SoC 系列具有集成的全功能 100G NIC&＃xff0c;强大的 8 核 CPU&＃xff0c;运行在 3GHz 下&＃xff0c;支持数据包处理、加密、RAID 和重复数据删除等硬件引擎&＃xff0c;是用于主机卸载、裸机服务和网络功能虚拟化的理想 SmartNIC 解决方案。

今年 4 月&＃xff0c;百度云宣布正在与博通紧密合作&＃xff0c;利用 Stingray SmartNIC 的可编程性&＃xff0c;提供高级的云原生应用、网络功能虚拟化和分布式安全。博通的 Stingray 适配器提供 8 个 ARM A72 CPU 内核&＃xff0c;运行在 3GHz、300G 内存带宽和 100G NetXtreme Ethernet 网卡上。

赛灵思

赛灵思发布了其首款一体化 SmartNIC 平台 Alveo U25&＃xff0c;在单张卡上上实现了网络、存储和计算加速功能的融合。

随着网络端口速度不断攀升&＃xff0c;2 级和 3 级云服务提供商、电信和私有云数据中心运营商正面临日益严峻的联网问题和联网成本挑战。与此同时&＃xff0c;开发和部署 SmartNIC 所需的大量研发投资&＃xff0c;也成为其被广泛采用的障碍。

依托于赛灵思业界领先的 FPGA 技术&＃xff0c;Alveo U25 SmartNIC 平台相比基于 SoC 的 NIC&＃xff0c;可以提供更高的吞吐量和更强大的灵活应变引擎&＃xff0c;支持云架构师快速为多种类型的功能与应用提速。

公有云厂商

AWS Nitro

2015 年&＃xff0c;AWS 收购以色列芯片制造商 Annapurna Labs。在 2017 re: Invernt 大会上&＃xff0c;AWS 宣布了 EC2 架构的新演进&＃xff1a;Nitro System 架构。Nitro System 重新定义了虚拟化基础架构&＃xff0c;将虚拟化功能被卸载到专用的 Nitro Card 上。而 Nitro Card 就是使用 Annapurna Labs 定制的 ASIC 芯片。

Azure AccelNet

2015 年&＃xff0c;微软 Azure 服务器上部署了其 FPGA 加速网络 AccelNet。自 2015 年底以来&＃xff0c;微软已在超过 100 万台主机的新 Azure 服务器上部署了实施 AccelNet 的 Azure SmartNIC。自 2016 年以来&＃xff0c;AccelNet 服务已向 Azure 客户提供了一致的 <15μs VM-VM TCP 延迟&＃xff0c;和 32Gbps 吞吐量。

阿里云神龙

2017 年&＃xff0c;阿里云也在数据中心中部署了神龙。

与传统的智能网卡厂家比&＃xff0c;云计算巨头完全是为了满足自身云计算需求。在他们看来&＃xff0c;SmartNIC 就是一个完整的计算、存储、网络一体化处理单元&＃xff0c;只视乎于想把如何具体的业务卸载下来&＃xff0c;而具体业务只有使用云厂商自己最清楚了。

因此&＃xff0c;对云厂商来说&＃xff0c;自研 SmartNIC 似乎是一条正确的道路&＃xff0c;其 “智能网卡” 的概念已经很薄弱了&＃xff0c;它不仅仅是个 NIC 这么简单&＃xff0c;它已经深深的融入他们的血液里了。