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DPU（Data Processing Unit）是以數(shù)據(jù)為中心構(gòu)造的專用處理器，采用軟件 定義技術(shù)路線支撐基礎(chǔ)設(shè)施層資源虛擬化，支持存儲(chǔ)、安全、服務(wù)質(zhì)量管理等 基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)。2020年NVIDIA公司發(fā)布的DPU產(chǎn)品戰(zhàn)略中將其定位為數(shù)據(jù)中 心繼CPU和GPU之后的“第三顆主力芯片”，掀起了一波行業(yè)熱潮。DPU的出 現(xiàn)是異構(gòu)計(jì)算的一個(gè)階段性標(biāo)志。與GPU的發(fā)展類似，DPU是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的體系 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一典型案例；但與GPU不同的是，DPU面向的應(yīng)用更加底層。DPU要解決的核心問(wèn)題是基礎(chǔ)設(shè)施的“降本增效”，即將“CPU處理效率低 下、GPU處理不了”的負(fù)載卸載到專用DPU，提升整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的效率、降低 整體系統(tǒng)的總體擁有成本（TCO）。DPU的出現(xiàn)也許是體系結(jié)構(gòu)朝著專用化路 線發(fā)展的又一個(gè)里程碑。

DPU中的“D”有三種解釋：

（1）Data Processing Unit，即數(shù)據(jù)處理器。這種解釋把“數(shù)據(jù)”放在核心 位置，區(qū)別于信號(hào)處理器、基帶處理器等通信相關(guān)的處理器對(duì)應(yīng)的“信號(hào)”， 也區(qū)別于GPU對(duì)應(yīng)的圖形圖像類數(shù)據(jù)，這里的“數(shù)據(jù)”主要指數(shù)字化以后的各 種信息，特別是各種時(shí)序化、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，比如大型的結(jié)構(gòu)化表格，網(wǎng)絡(luò)流 中的數(shù)據(jù)包，海量的文本等等。DPU就是處理這類數(shù)據(jù)的專用引擎。

（2）Datacenter Processing Unit，即數(shù)據(jù)中心處理器。這種解釋把數(shù)據(jù)中心 作為DPU的應(yīng)用場(chǎng)景，特別是隨著WSC（Warehouse-scale Computer）的興起， 不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心成為了IT核心基礎(chǔ)設(shè)施。目前來(lái)看，DPU確實(shí)在數(shù)據(jù)中心 中使用前景非常廣闊。但是計(jì)算中心的三大部分：計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)，計(jì)算部分是CPU占主導(dǎo)，GPU輔助；網(wǎng)絡(luò)部分是路由器和交換機(jī)，存儲(chǔ)部分是高密度 磁盤(pán)構(gòu)成的的RAID系統(tǒng)和SSD為代表非易失性存儲(chǔ)系統(tǒng)。在計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)中扮演 數(shù)據(jù)處理的芯片都可以稱之為Datacenter Processing Unit，所以這種說(shuō)法相對(duì)比 較片面。

（3）Data-centric Processing Unit，即以數(shù)據(jù)為中心的處理器。Data-centric， 即數(shù)據(jù)為中心，是處理器設(shè)計(jì)的一種理念，相對(duì)于“Control-centric”即控制為 中心。經(jīng)典的馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)就是典型的控制為中心的結(jié)構(gòu)，在馮諾依曼經(jīng) 典計(jì)算模型中有控制器、計(jì)算器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出，在指令系統(tǒng)中的表現(xiàn) 是具有一系列非常復(fù)雜的條件跳轉(zhuǎn)和尋址指令。而數(shù)據(jù)為中心的理念與數(shù)據(jù)流 （Data Flow）計(jì)算一脈相承，是一種實(shí)現(xiàn)高效計(jì)算的方法。同時(shí)，現(xiàn)在試圖打 破訪存墻（Memory Wall）的各種近存（Near-memory）計(jì)算、存內(nèi)（Inmemory）計(jì)算、存算一體等技術(shù)路線，也符合數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計(jì)理念。

以上三種關(guān)于“D”的解釋，從不同角度反映DPU的特征，都有一定的可 取之處，筆者認(rèn)為可以作為不同的三個(gè)維度來(lái)理解DPU的內(nèi)涵。

DPU最直接的作用是作為CPU的卸載引擎，接管網(wǎng)絡(luò)虛擬化、硬件資源池 化等基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)，釋放CPU的算力到上層應(yīng)用。以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理為例，要 線速處理10G的網(wǎng)絡(luò)需要的大約4個(gè)Xeon CPU的核，也就是說(shuō)，單是做網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 包處理，就可以占去一個(gè)8核高端CPU一半的算力。如果考慮40G、100G的高速 網(wǎng)絡(luò)，性能的 開(kāi)銷就 更 加 難 以 承 受 了。A m a z o n 把這些開(kāi)銷都稱 之 為 “Datacenter Tax”，即還未運(yùn)行業(yè)務(wù)程序，先接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)就要占去的計(jì)算資 源。AWS Nitro產(chǎn)品家族旨在將數(shù)據(jù)中心開(kāi)銷（為虛擬機(jī)提供遠(yuǎn)程資源，加密解 密，故障跟蹤，安全策略等服務(wù)程序）全部從CPU卸載到Nitro加速卡上，將給 上層應(yīng)用釋放30%的原本用于支付“Tax” 的算力！

DPU可以成為新的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，將安全隱私提升到一個(gè)新的高度。在網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境下，網(wǎng)絡(luò)接口是理想的隱私的邊界，但是加密、解密算法開(kāi)銷都很大，例如 國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)的非對(duì)稱加密算法SM2、哈希算法SM3和對(duì)稱分組密碼算法SM4。如果 用CPU來(lái)處理，就只能做少部分?jǐn)?shù)據(jù)量的加密。在未來(lái)，隨著區(qū)塊鏈承載的業(yè) 務(wù)的逐漸成熟，運(yùn)行共識(shí)算法POW，驗(yàn)簽等也會(huì)消耗掉大量的CPU算力。而這 些都可以通過(guò)將其固化在DPU中來(lái)實(shí)現(xiàn)，甚至DPU將成為一個(gè)可信根。

DPU也可以成為存儲(chǔ)的入口，將分布式的存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程訪問(wèn)本地化。隨著 SSD性價(jià)比逐漸可接受，部分存儲(chǔ)遷移到SSD器件上已經(jīng)成為可能，傳統(tǒng)的面向 機(jī)械硬盤(pán)的SATA協(xié)議并不適用于SSD存儲(chǔ)，所以，將SSD通過(guò)本地PCIe或高速 網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)就成為必選的技術(shù)路線。NVMe（Non Volatile Memory Express） 就是用于接入SSD存儲(chǔ)的高速接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以通過(guò)PCIe作為底層傳輸協(xié) 議，將SSD的帶寬優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。同時(shí)，在分布式系統(tǒng)中，還可通過(guò) NVMe over Fabrics（NVMe-oF）協(xié)議擴(kuò)展到InfiniBand、Ethernet、或Fibre channel節(jié)點(diǎn)中，以RDMA的形式實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的共享和遠(yuǎn)程訪問(wèn)。這些新的協(xié)議處 理都可以集成在DPU中以實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU的透明處理。進(jìn)而，DPU將可能承接各種 互連協(xié)議控制器的角色，在靈活性和性能方面達(dá)到一個(gè)更優(yōu)的平衡點(diǎn)。

DPU將成為算法加速的沙盒，成為最靈活的加速器載體。DPU不完全是一 顆固化的ASIC，在CXL、CCIX等標(biāo)準(zhǔn)組織所倡導(dǎo)CPU、GPU與DPU等數(shù)據(jù)一致 性訪問(wèn)協(xié)議的鋪墊下，將更進(jìn)一步掃清DPU編程障礙，結(jié)合FPGA等可編程器 件，可定制硬件將有更大的發(fā)揮空間，“軟件硬件化”將成為常態(tài)，異構(gòu)計(jì)算 的潛能將因各種DPU的普及而徹底發(fā)揮出來(lái)。在出現(xiàn)“Killer Application”的領(lǐng) 域都有可能出現(xiàn)與之相對(duì)應(yīng)的DPU，諸如傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用如OLAP、OLTP， 5G 邊緣計(jì)算，智能駕駛V2X等等。