2023年中国智能网卡行业词条报告

作者 摘要 吴金翼 2023年中国智能网卡行业词条报告 行业头豹分类/信息传输、软件和信息技术服务业/软件和信息技术服务业/信息系统集成和物联网技术服务/设备系统集成/硬件集成港股分类法/信息科技/半导体 智能网卡能够灵活卸载CPU不适合的处理任务，满足数据平面网络处理需求并兼容现有网络协议生态。其核心作用在于减轻CPU算力负担并让其处理更重要的任务。而传统的网卡仅负责数据链路的传输、网络堆栈算法和协议，其他如存储、网络加解密和安全等功能会占用大量CPU资源。在网速飞速提升、内存瓶颈突出、网络处理开销愈发显著的时代，普通网卡在网络协议处理、数据搬移、使用灵活性等方面逐渐暴露出缺陷。智能网卡，作为可编程的智能网络设备，在数据中心、科学计算领域均得到广泛关注，成为解决网络瓶颈的关键技术．在网络协议处理卸载、网络功能虚拟化、特定应用加速等应用场景中发挥着重要作用。例如，智能网卡在云服务行业得到广泛应用，公有云服务商通过大规模部署智能网卡，降低CPU开销，提升网络性能。 智能网卡行业定义 1. 传统网卡固定功能的流量处理功能无法适应SDN、云和虚拟化部署的需要，市场对网络功能卸载到可编程硬件的需求愈发急迫。智能网卡，第一代SmartNIC和第二代DPU，可有效降低网络接口带宽的增加造成的CPU(中央处理器)资源负载，节约运行应用程序的CPU资源。智能网卡通常作用在服务器侧，可以将网络、存储、操作系统中不适合CPU处理的高性能数据处理功能卸载到硬件芯片执行，提升数据处理能力，释放CPU算力。 智能网卡行业分类 2. 从智能网卡的核心处理器的设计角度来划分，目前智能网卡的设计主要有四大类，分别为基于SoC、FPGA，MP，ASIC的芯片架构。单一芯片架构的智能网卡通常难以满足复杂多样的场景需求。SoC智能网卡具备编程灵活、功能强大的优点，但性能和功耗方面存在瓶颈。采用FPGA、NP、ASIC芯片架构的智能网卡性能方面比较强，但编程灵活性方面存在短板。因此，除了SoC片上系统CPU加速外，智能网卡主要以SoC+FPGA、SoC+NP、SoC+ASIC增强形态出现，同时也因基础架构的不同而适用于不同场景。 类型名称 类型说明 SoC 多核SoC智能网卡由四个主要部分组成，分别为计算单元、板载存储器、传输数据包的流量控制模块、用于与主机通信的DMA引擎。使用SoC架构的智能网卡具有较高的性价比和非常强的编程灵活性，但存在功耗高、转发性能低的劣势。SoC提供了性能和可操控性的平衡，可用于各种场景的功能卸载。 FPGA FPGA智能网卡被广泛用于各种网络、通信设备中，具有很好的可编程特性，功能扩展灵活，但存在成本略高、高性能FPGA开发周期长的劣势。FPGA兼具性能和灵活性，适用于智能网卡需求尚未完全明确、功能没有完全固化的阶段，功耗低于SoC卡，通过FPGA迭代开发来应对智能网卡应用场景需求的变化。 NP NP智能网卡具有功耗较低、开发效率较高等特点，处理性能基本接近ASIC。由于采用硬件技术解决了多核并发带来的资源互斥问题，同等功能的网络特性用NP微码开发要简单很多，能效比更是远高于通用CPU。但NP的技术门槛高，生态尚不成熟，主要用于数通产品，适合转发加速 ASIC ASIC智能网卡具有功耗低、性能强、效率高的优势，但定制开发成本高、生产周期长。由于ASIC智能网卡的逻辑处理被ASIC硬件固化，其主要功能固定，因此功能扩展和灵活性方面有较大限制。ASIC卡适合大规模使用，很难应对复杂的应用场景。 智能网卡行业特征 3. 随着智能网卡行业的迅猛发展，产品和技术迭代速度加快。智能网卡已从2013年研发的SmartNIC演进至第二代DPU并朝着第三代IPU发展。中国市场出现了一批智能网卡初创公司(云豹智能、芯启源、云脉芯联等)，智能网卡公司通过FPGA、NP、ASIC等多种芯片架构实现DPU芯片的设计，与中国云服务厂商和各行业数据中心采取定制或联合研发等多种模式，推动智能网卡在数据中心的应用落地。 由于市场对数据信息的处理需求与日俱增，智能网卡的产品研发和底层技术迭代速度持续加快 产品和技自2013年亚马逊云科技研发了第一代智能网卡AWSNitroC3，代表着第一代智能网卡SmartNIC的商业化应用。为了支持数据的快速传输术迭代速和存储，2016年，阿里巴巴自主研发了X-Dragon智能网卡芯片。2019年，DPU首次由美国公司Fungible提出。2020年，Nvidia收购Mellan 度快ox并在GTC战略发布会中将DPU定义为继CPU、GPU之后的“第三颗主力芯片”。2022年，Intel提出了IPU的概念，通过将FPGA和Xeon-D 结合，目标是进一步释放CPU内核。IPU使云服务提供商能够以软件级的速度定制基础设施功能部署，同时通过灵活安排工作负载，提高数据中心的利用率。 主要业务 数据中心的性能开销驱动了智能网卡市场的快速增长，服务器也是智能网卡的主要市场 面向数据数据中心分布式计算催生了高性能数据中心网络，而虚拟化、网络功能、操作系统和数据结构处理伴随着巨大性能开销。云计算场景下的 中心虚拟化技术需要靠软件来实现Hypervisor，但伴随巨大的性能开销。虚拟机和物理机仍存在较大的性能差距，阿里云和亚马逊等云厂商将 虚拟化、网络、存储等相关组件卸载到智能网卡上，从而消除虚拟化、网络和存储组件带来的开销，提高虚拟机的性能。 随着数据中心网络的带宽提高、业务需求增加，智能网卡通过硬件卸载和加速帮助数据中心解放算力资源 解决大数从通信运营商和云服务厂商的角度来说，网络流量激增及业务需求演进推动数据中心网络向高带宽和新型传输体系发展。数据中心从最初据计算需的大区集中式的10G网络变成分布式数据中心，数据中心带宽由10G已经发展到了25G并朝着100G发展。而边缘数据中心则承载着更高带求宽、更低时延的视频、工业互联网等业务，对网络带宽、存储性能都有着严苛的需求。智能网卡实现网络功能硬件卸载和加速，释放主机 算力资源用于其它业务处理。 智能网卡发展历程 4. 智能网卡首先由国外互联网云服务商进行先期探索，并验证了智能网卡能够有效提升云数据中心效能。阿里巴巴、腾讯等中国互联网企业也积极研发智能网卡产品，降低其硬件投入和运营能耗，提升其云数据中心产品及服务的竞争力。互联网云服务商通过使用智能网卡提高每个计算节点的计算能力，在同等算力下，使用智能网卡所需的服务器数量更少，从而降低了服务器的前期硬件投入成本，大幅降低了大规模部署网络服务的总拥有成本。从产品端来看，智能网卡正从依靠HostCPU和可部分卸载的smartNIC（初代智能网卡）演变成拥有嵌入式CPU、可完全卸载和可编程硬件的DPU（新一代智能网卡）。 开始时间：2013结束时间：2015阶段：萌芽期 行业动态：亚马逊云科技在2013年研发了Nitro产品，将数据中心开销全部放到专用加速器上执行。随后基于Nitro项目，Amazon于2013年推出第一代智能网卡AWSNitroC3，主要解决了虚拟机监视器的卸载分担问题。微软在2015年将第一代AzureSmartNIC部署在计算服务器中。微软选择了FPGA方案，能够不消耗主机CPU核资源，满足SR-IOV硬件的延迟、吞吐量和利用率要求，并支持SDN功能，具备高可维护性，即可适应新功能的可编程性，又能利用定制硬件的性能和效率。 行业影响/ 阶段特征：该阶段智能网卡（SmartNIC）研发的核心是通过在网卡上面引入SoC或者FPGA的方式加速某些特定流量应用，从而加强网络的可靠性，降低网络延迟，提升网络性能。SmartNIC实现了部分卸载，即只卸载数据面，控制面仍然在HostCPU处理。从总体上来说SmartNIC的卸载操作是一个系统内的协作。 开始时间：2016结束时间：2019阶段：启动期 行业动态：阿里巴巴集团在2016年启动了X-Dragon神龙项目，明确提出虚拟机性能损失应降为零。X-Dragon智能网卡芯片可以让部署神龙芯片的设备完全具有虚拟机的特性，包括虚拟机的接口，实现裸金属和虚拟机同样的扩展和管理功能，和现有的云环境可以通过私有接口或OpenAPI无缝集成。 行业影响/ 阶段特征：基于软件定义网络（SDN）、开放虚拟交换机（OVS）和网络功能虚拟化（NFV）驱动的数据中心网络通信的快速增长，中国市场需要一种具有更强卸载能力的新型智能网卡。中国头部的拥有云服务业务的互联网企业开始了第二代智能网卡的相关研发。 开始时间：2020结束时间：2025阶段：高速发展期 行业动态：DPU作为可编程的智能网卡，与初代SmartNIC智能网卡相比拥有较高的灵活度和性能。腾讯在2020年推出第一代水杉DPU智能网卡，实现了云主机的虚拟交换机和物理机网络功能下沉到智能网卡，使云主机和物理机具有相同的硬件架构。2022年5月，网络互联芯片提供商云脉芯联正式发布自主研发的RDMA多场景DPU智能网卡。 行业影响/ 阶段特征：DPU是在第一代智能网卡（SmartNIC）基础上加入CPU而形成的第二代智能网卡。DPU在数据面和控制面实现了完全的卸载，服务器运行在DPU内部的嵌入式CPU中。该阶段的DPU智能网卡提升云主机性能，最大限度释放CPU资源，有效拉动了智能网卡的市场需求。以芯启源AgilioCX网卡为例，其搭载了芯启源DPU芯片（采用众核架构SoC+NP）具备极高的编程自由度。 智能网卡产业链分析 5. “十四五”期间，中国数字经济将逐步转向深化应用、规范发展、普惠共享的新阶段。数字产业化应用、产业数字化转型等发展离不开算力资源的强力支撑，数字经济进入以算力为核心生产力的新时代。算力的供给和使用需以可靠的网络连接为基础，网络运力（即承载能力）成为支撑算力服务及应用发展的关键。同时，算力时代背景下差异化业务承载、算力数据和应用安全保障等挑战进一步凸显。随着数据计算需求侧的变化，智能网卡必将在未来计算系统中成为一个重要组成部分，对于支撑下一代数据中心起到至关重要的作用。 智能网卡上游分为EDA（电子设计自动化）工具开发、IP核（知识产权核心）授权、封装测试三大核心环节，下游的智能网卡终端应用主要面向业务依托于大数据计算、存储、处理的数据中心厂商、云服务厂商、数据通信运营商，这些厂商有较高的算力资源需求。 上游环节 上游说明 上游参与方 EDA工具开发商 EDA工具是集成电路领域的基础工业软件，包括布局、布线、版图、设计规则检查等方面的应用。EDA工具不仅广泛应用于芯片设计厂商（Fabless）的设计、测试、仿真环节，还被部分芯片晶圆生产厂商（Foundry）和封装测试厂商用于进行测试、模拟、验证。EDA工具提供了从电路到版图、从设计到验证的一站式完整解决方案。中国开发EDA工具的厂商有华大九天、概伦电子、广立微等。其中，华大九天已实现模拟电路的全流程EDA工具覆盖。 北京华大九天科技股份有限公司、上海概伦电子股份有限公司、杭州广立微电子股份有限公司 IP核授权商 IP核指已经设计好的并经过实际验证的具有特定 芯原微电子（上海）股份有限公司、中科寒武纪 功能的电路功能模块，可以起到性能优化的作 科技股份有限公司、中芯国际集成电路制造（上 用。IP核的硬件描述语言程序与集成电路工艺无 海）有限公司、杭州国芯科技股份有限公司 关,可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。在中国市场，IP核授权商普遍为客户提供平台化的芯片定制服务和自主半导体IP授权服务，有良好的业态。中国拥有IP核授权业务的厂商有芯原股份、寒武纪、中芯国际、国芯科技等。 封装测试提供商 Foundry芯片晶圆生产商、可自行设计和生产的I 中芯国际集成电路制造（上海）有限公司、日月 DM芯片厂商可自主进行芯片的封装测试，专注 光半导体（上海）有限公司、台灣積體電路製造 芯片设计的Fabless芯片厂商需要与芯片代工和 股份有限公司、安靠封装测试（上海）有限公司 封装测试厂商进行合作。中国多