2022年數(shù)據(jù)處理芯片DPU行業(yè)市場現(xiàn)狀及未來前景分析

1、2022年數(shù)據(jù)處理芯片DPU行業(yè)市場現(xiàn)狀及未來前景分析1、帶寬性能增速比擴大，數(shù)據(jù)處理芯片DPU 市場成型DPU 是以數(shù)據(jù)處理為中心的芯片，2020 年 NVIDIA 戰(zhàn)略中國將其稱為 CPU、GPU 之后“第三顆主力芯片”， 認(rèn)為“它將成為未來計算的三大支柱之一”。一般是包括高性能及可編程的多核 CPU、高性能網(wǎng)絡(luò)接口 和可編程的加速引擎幾個主要部件。為什么在 CPU、GPU 之外還需要 DPU 呢？因為大數(shù)據(jù)和 5G 時代，在 AI、邊緣計算等場景下，網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)不僅需要被傳輸（交給 CPU 等處理），還需要整個加工過程更加實時和海量，最好面向具體應(yīng)用。 除了制造獨立的 DPU 芯片，還可以

2、將其設(shè)計成網(wǎng)卡（NIC）的一個集成模塊。足夠強大和靈活的網(wǎng)卡 可以根據(jù)應(yīng)用需要處理所有網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，使得 CPU 得以專注于上層應(yīng)用的流程控制等方面。舉例來說，通信數(shù)據(jù)最基礎(chǔ)的操作是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理，據(jù)中科院科技戰(zhàn)略咨詢研究院估計，要服務(wù) 10G 網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議處理就需要約 4 個 Xeon CPU 核，即占到 8 核高端 CPU 一半的算力。如果考慮更高速 網(wǎng)絡(luò)（40G、100G）以及更復(fù)雜的運算，則會占據(jù)更多現(xiàn)有 CPU 資源。此外，據(jù)谷歌和 Facebook 的 研究，微服務(wù)通信開銷可消耗 2280%的 CPU 性能。 因此，GPU 是在 CPU 之外提供圖形（和深度學(xué)習(xí)等）場景的加速，而

3、DPU 則是在 CPU 之外提供網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)場景的加速。圖：通過 DPU 三要素可以理解其作用和重要性DPU 的發(fā)展歷程是和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)規(guī)模增長相關(guān)的，當(dāng) CPU 處理能力的增速（一度由摩爾定律定義）逐 漸趕不上網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)交換的規(guī)模增速時，這種需求就更加明顯。將兩個增速做成比值（稱為帶 寬性能增速比 RBP），并分析兩者的增速曲線可知，2020 年以來市場突破點的基礎(chǔ)已經(jīng)較明確的成 型（圖表 31 紅圈部分），RBP 從 1 提升到 10 左右，算力的架構(gòu)變革箭在弦上，隨時會出現(xiàn)爆發(fā)機會。DPU 的核心技術(shù)是什么？從它的功能和定位可以看出，DPU 除了傳統(tǒng)的芯片技術(shù)，還依賴通信、數(shù) 據(jù)處理等方面

4、的技術(shù)。根據(jù)頭豹研究院報告，（1）理論上 DPU 可基于 FPGA、MP（Multi-core，MP) 與 ASIC 三類核心處理器進(jìn)行設(shè)計；（2）產(chǎn)品上已商用的 DPU 產(chǎn)品形態(tài)包括“ASIC+GP”（NVIDIA 等采 用）、“ASIC+NP”（華為等采用）。目前行業(yè)處于自然生長階段，各個技術(shù)路線都以能夠滿足客戶需求先行。未來必然還會面臨標(biāo)準(zhǔn)化、 制程與工藝的提升、下游應(yīng)用的多樣化支持等挑戰(zhàn)。2、數(shù)據(jù)處理芯片DPU 涉全球千億市場，國內(nèi)增速可超 100%DPU 會部分分流（數(shù)據(jù)中心的）CPU 市場規(guī)模，但考慮到功能和性能的改善，我們認(rèn)為 DPU 相對已 有芯片市場來說仍然是增量。那么，DP

5、U 的市場規(guī)模有多大呢？據(jù)智能計算芯世界數(shù)據(jù)，到2027年全球數(shù)據(jù)中心加速器市場價值可達(dá)530億美元，復(fù)合年增長率CAGR 近 44%。而根據(jù)頭豹研究院預(yù)測，中國 DPU 市場規(guī)模預(yù)計在 2022 年超 10 億美元，2025 年接近 40 億 美元（約合人民幣 240 億元），復(fù)合年增速 CAGR 達(dá) 112%。另外，數(shù)據(jù)中心帶寬升級周期在 3 年左 右，那么在 2023-2025 年進(jìn)入下一輪服務(wù)器設(shè)備以及 DPU 更換周期，DPU 市場規(guī)模有明顯的增幅。全球 DPU 行業(yè)市場規(guī)模預(yù)計會穩(wěn)步攀升（從 2020 年的 30 億美元增加到 2025 年內(nèi)的 136 億美元，CAGR 約 36%

6、），驅(qū)動力源自智能網(wǎng)卡方案的成熟、全球服務(wù)器出貨量增長以及智能駕駛、邊緣計算等下 游應(yīng)用的初步落地。對于 DPU 和芯片領(lǐng)域的發(fā)展，近年來在政策支持上明顯也是全力推動的。包括今年工信部發(fā)布的新 型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021-2023 年），直接要求加快提升算力、算效和異構(gòu)算力（DPU 是異構(gòu)計算一種），同時還強調(diào)要提高自主研發(fā)算力的部署比例、加強專用服務(wù)器等核心技術(shù)研發(fā)、 樹立基于 5G 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等重點應(yīng)用場景的邊緣數(shù)據(jù)中心應(yīng)用標(biāo)桿。3、三類企業(yè)參與，國產(chǎn)新銳機會更優(yōu)DPU 隸屬芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，因此產(chǎn)業(yè)鏈也由上游的設(shè)計/制造/封測、中游的芯片廠商以及下游的用戶 /應(yīng)用端組成，目前各

7、家企業(yè)產(chǎn)品的制程大部分在 14-28 納米之間。以 28 納米為例，產(chǎn)業(yè)鏈的服務(wù)能 力和供給關(guān)系相對較為成熟。我們認(rèn)為，中間芯片商的環(huán)節(jié)可以分為三類企業(yè)，即芯片類、（其他）科技巨頭類和初創(chuàng)企業(yè)：DPU 首先吸引的是芯片類企業(yè)（包括博通、Marvell 等通信芯片商和英偉達(dá)、英特爾等主芯片商）的進(jìn)入； 此外亞馬遜、華為、騰訊、阿里巴巴等科技巨頭也在積極布局；作為新生賽道，自然也有大量初創(chuàng) 企業(yè)設(shè)立。2020 年，可以看做是 DPU 元年。中國市場主要還是由頭部企業(yè)占據(jù)，其中英偉達(dá)作為開創(chuàng)者的份額 最大，隨后是博通和英特爾。未來幾年，隨著其他企業(yè)的高速發(fā)展，這一局面較大概率會發(fā)生明顯 改變。圖：2

8、020 年中國 DPU 市場份額我們認(rèn)為，（1）DPU 一般基于網(wǎng)卡級芯片，制程挑戰(zhàn)略低，適合新入局者參與；（2）DPU 結(jié)合上 層應(yīng)用需求，格局較傳統(tǒng)核心芯片可能會更為分散，也給到垂直行業(yè)芯片企業(yè)拓展業(yè)務(wù)的機會；（3） 非芯片類的科技巨頭在 DPU 戰(zhàn)略布局尚一般會和自身業(yè)務(wù)相關(guān)聯(lián)，較少有獨立性，可能會更傾向于 通過收購、生態(tài)等方式參與。中外 DPU 企業(yè)的對比方面，國內(nèi)廠商在芯片產(chǎn)品化的環(huán)節(jié)相比國外一線廠商還有差距，但是在 DPU 細(xì)分市場具備一定的優(yōu)勢基礎(chǔ)，包括我國目前在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的市場規(guī)模、增速和用戶數(shù)量相較于 國外有顯著領(lǐng)先。（1）英偉達(dá) NVIDIA2019年 3月 11日，NV

9、IDIA宣布和 Mellanox兩家公司就收購事宜達(dá)成最終協(xié)議。NVIDIA現(xiàn)金收購 Mellanox， 總價約 69 億美元。完成收購后，基于 Mellanox 的 ConnectX 系列高速網(wǎng)卡推出了 BlueField 系列的 DPU， 將 DPU 概念帶給大眾。 在英偉達(dá)公布的路線圖中國，計劃 3 年時間在 Bluefield 現(xiàn)有產(chǎn)品上陸續(xù)推出 2X、第三代和第四代產(chǎn) 品，使得性能提升 1000 倍，支持 400TOPS（計算能力）和 400Gbps（吞吐量）的水平。據(jù)英偉達(dá)知乎官方賬號介紹，Palo Alto Networks 等客戶選擇 Bluefield 來加速其產(chǎn)品。例如，P

10、alo Alto 將 BlueField-2 芯片用在虛擬下一代防火墻，做到 5 倍加速，相較在 CPU 的傳統(tǒng)系統(tǒng)能夠節(jié)省 150%的資 本支出。Bluefield-2 DPU 還部署在英偉達(dá)自己的 AI-on-5G 平臺中，在多個垂直領(lǐng)域挖掘 AI 和 5G 的交叉 應(yīng)用。英偉達(dá)正在與富士通、谷歌云等合作開發(fā)基于 5G 平臺的人工智能的解決方案，面向智慧城市、 智能制造、醫(yī)院和智能商店等領(lǐng)域。今年 5 月，英偉達(dá)也宣布華碩、戴爾科技和 Supermicro 等公司將在年內(nèi)發(fā)布基于 BlueField-2 的系統(tǒng)。 預(yù)計更多服務(wù)器 OEM 廠商開始采用 DPU 的趨勢還會持續(xù)，尤其是其能夠?qū)?/p>

11、服務(wù)器性能提高可觀的程 度。（2）博通 Broadcom博通在網(wǎng)卡市場處于領(lǐng)導(dǎo)者地位，其 DPU 布局更多源自 SmartNIC。在 2019 SDC 演講中博通展示了 Stingray 架構(gòu)，采用單芯片方法，在板卡生產(chǎn)的成本方面更低。Broadcom 在 Stingray 的中心設(shè)計了 NetXtreme-S BCM58800 芯片，將 8 個 3 GHz 主頻的 ARM v8 A72 內(nèi)核放臵其中。另外，Stingray 最多可以 配臵 16 GB DDR4 內(nèi)存。基于這個異構(gòu)體系以 90 Gb/s 的速度實現(xiàn)了卸載加、擦除編碼和 RAID 等存儲 處理。博通在逐步將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到 7 納米，

12、使得可以從 8 核擴展到 12 核。（3）英特爾 Intel英特爾 2015 年底收購了 FPGA頭部廠商 Altera，使得在傳統(tǒng)通用處理器的版圖上增加了硬件加速布局。 2021 年 6 月，英特爾公布了 IPU（Infrastructure Processing Unit，基礎(chǔ)設(shè)施處理器）規(guī)劃。公司數(shù)據(jù)平臺 事業(yè)部首席技術(shù)官 Guido Appenzeller 表示 DPU 和 IPU 在功能上沒有根本性差別，主要是命名不同。DPU 普遍用于數(shù)據(jù)中心，因此英特爾從這個角度去定義其該類新產(chǎn)品。IPU 產(chǎn)品是將 FPGA 與 Xeon D 系列處理器集成，具有增強的加速器和以太網(wǎng)連接的高級網(wǎng)絡(luò)

13、設(shè)備，通 過緊耦合、專用的可編程內(nèi)核加速和管理基礎(chǔ)架構(gòu)功能。IPU 提供全面的基礎(chǔ)架構(gòu)（運算、通信）分 載，并可作為云端的主機的控制點，提供額外防護(hù)。根據(jù)官網(wǎng)說明，IPU 和 SmartNIC（智能網(wǎng)卡）的區(qū)別在于“IPU 能夠從主機分載整個基礎(chǔ)架構(gòu)堆棧，并 可以控制主機與該基礎(chǔ)架構(gòu)的連接方式。這為服務(wù)提供商提供了一層額外的防護(hù)和控制，由 IPU 在 硬件中實施。SmartNIC 具有與 IPU 相似的聯(lián)網(wǎng)和分載功能，但它作為外設(shè)，仍然在主機的控制之下?！?即 IPU 具備更高的獨立性。 據(jù) IT 之家報道，通過特定功能，IPU 可對數(shù)據(jù)中心里的基于微服務(wù)架構(gòu)的現(xiàn)代應(yīng)用程序進(jìn)行加速。 如前所述

14、，谷歌和 Facebook 的研究表明微服務(wù)通信開銷可消耗 22%到 80%的 CPU 性能。（4）邁威爾 Marvell2021 年 Marvall 發(fā)布了 OCTEON 10 DPU 產(chǎn)品，不僅具備強大的轉(zhuǎn)發(fā)能力，還具有突出的 AI 處理能力。 OCTEON 10 采用 ARM N2 內(nèi)核和 5nm 制程，除了具備與上一代產(chǎn)品相同的多功能構(gòu)建塊陣列，還增加 了先進(jìn)的 IP 和新功能，包括集成機器學(xué)習(xí)推理的引擎、內(nèi)聯(lián)加密處理器以及矢量數(shù)據(jù)包處理器，它 們也都能夠以虛擬化方式運行。在云和數(shù)據(jù)中心用例上，這些解決方案可在計算與網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能方面，提供廣泛的多功能性。企 業(yè)則可以用 OCTEON

15、10 系列產(chǎn)品實現(xiàn)深度集成的數(shù)據(jù)包處理和安全加速特性。（5）華為2013 年，Tensilica（成立于 1997 年的微處理器公司）宣布與華為的海思半導(dǎo)體正在擴展對 Tensilica DPU 的應(yīng)用范圍，其中包括 Tensilica Xtensa 可定制處理器及用于 LTE 基站、手持移動設(shè)備、其他網(wǎng)絡(luò)基 礎(chǔ)設(shè)施和客戶端設(shè)備的 ConnX 基帶處理器。我們認(rèn)為這可以看做是 DPU 的前身，區(qū)別在于當(dāng)時合作 還面場景更廣，例如智能手機和機頂盒的音頻和語音處理等 DSP 芯片，與現(xiàn)在所提的 DPU 更針對網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)有所不同。華為 DPU 研發(fā)信息目前披露的不多，但類似博通公司，華為也在智能網(wǎng)卡

16、領(lǐng)域有長期深耕，拓展到 DPU 領(lǐng)域比較自然。例如，華為云官網(wǎng)顯示，2020 年華為海思自研的 Hi1822 網(wǎng)卡已在鯤鵬服務(wù)器上 采用，其中就實現(xiàn)了算力加速、卸載（offload）15%的 CPU 資源等功能?？紤]到華為設(shè)備出貨量的量 級、供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜惹闆r，我們預(yù)計華為的 DPU 或類似智能網(wǎng)卡產(chǎn)品會優(yōu)先滿足自用需求為主。（6）左江科技左江科技在 2007 年 8 月成立，2021 年在 A 股上市。公司專注于國防領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域，主要 從事網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用相關(guān)的硬件平臺、板卡的設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)與銷售。左江科技是北京市高新技術(shù) 企業(yè)、中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)、中關(guān)村科技園 2015、2016 和

17、 2017 年度“瞪羚企業(yè)”。公司網(wǎng)絡(luò)信息安全 產(chǎn)品主要面向國家單位進(jìn)行銷售。子公司成都北中網(wǎng)科技有限公司在 2021 年 3 月和 9 月等時間經(jīng)過增資擴股和引入新投資方后，左江 科技持有 1500 萬元（占比 72%）的股權(quán)，北網(wǎng)未來持有 375 萬元（占比 18%）的股權(quán)，北網(wǎng)藍(lán)海持 有 129.25 萬元（占比 6.2%）的股權(quán)，北網(wǎng)智芯持有 79.08 萬元（占比 3.8%）的股權(quán)。公司在互動平臺上表示，北中網(wǎng)科技目前主要投入在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)芯片 DPU 的研發(fā)上面，基于芯片特性， 可以應(yīng)用到多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。公司人員規(guī)模約 60 人，近 90%的人員為研發(fā)人員，預(yù)計芯片量產(chǎn)在 2022 年下

18、半年。公司副總經(jīng)理、監(jiān)事兼邏輯部經(jīng)理、北網(wǎng)智芯法人代表于洪濤曾在海思半導(dǎo)體有限公司 任職。公司的 DPU 產(chǎn)品預(yù)計 2022 年一季度流片、下半年量產(chǎn)。 左江科技本身提供軍工等特定行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品，收購?fù)卣咕W(wǎng)絡(luò)芯片業(yè)務(wù)子公司有利于向產(chǎn)業(yè)鏈 上游布局，以自身優(yōu)勢打造客戶渠道的同時增強核心競爭力、發(fā)掘新業(yè)務(wù)爆發(fā)力。（7）中科馭數(shù)中科馭數(shù)是 2018 年成立于北京的 DPU 初創(chuàng)公司，創(chuàng)始團隊來自中科院計算所計算機體系結(jié)構(gòu)國家重 點實驗室。據(jù)經(jīng)濟觀察報報道，公司在 2021 年 7 月底宣布獲得了數(shù)億元的 A 輪融資，目前實現(xiàn)千萬 級別的季度營收。A 輪融資主要用于第二代 DPU 芯片 K2 的流片以及后續(xù)產(chǎn)品的迭代研發(fā)。今年 K2 芯片流片并在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)落地（官網(wǎng)顯示 2019 年第一顆芯片成功流片，是業(yè)界首顆數(shù)據(jù)庫與時序 數(shù)據(jù)處理融合加速芯片）。相比于大部分企業(yè)基于 ARM架構(gòu)定義 DPU產(chǎn)品，中科馭數(shù)選擇通過自研的異構(gòu)核來實現(xiàn)不同的功能。 鄢貴海（中科馭數(shù)創(chuàng)始人、CEO，中科院計算所研究員、博士生導(dǎo)師）提出 ARM 廠商的 IP 核多為同 構(gòu)核，而異構(gòu)計算更適合用異構(gòu)的核心來做。 公司自研的 KPU 專用計算架構(gòu)具備“敏捷異構(gòu)”的特征，基于此推出的 DPU 產(chǎn)品集成網(wǎng)絡(luò)運算核、數(shù) 據(jù)庫及大數(shù)據(jù)運算核、存儲運算核、安全運