揭开网络控制器芯片DPU国产替代序幕

在信息技术高速发展的今天， 网络控制器NIC（Network Interface Controller）芯片作为网络设备中的核心部件，对于数据的高效传输和网络的稳定运行乃至国家战略安全起着至关重要的作用。网络数据处理器DPU（Data Processing Unit）是NIC的高级发展形态。这一领域的技术和市场上面临着一个严峻的问题，芯片长期被国外厂商所主导，国内产品的市场份额和影响力相对较小。因此，突破国外技术封锁，实现网络控制器芯片的国产替代，已成为我国信息产业发展中亟待解决的问题。

本文介绍国内自主研发网络控制器芯片的意义、产品性能特点和投入规模应用的前景。

国内研制的网络控制器芯片产品面临挑战

• 网络控制器芯片行业规模

随着数字化转型的深入和“新基建”的推进，网络数据流量激增，网络控制器芯片作为高性能计算的关键部件，也迎来了黄金发展时期。国内数据中心的建设、5G技术的推广以及云计算服务的普及，均为网络控制器芯片市场开辟了广阔的应用场景和增长动力，在全球范围内正处于上规模快速提升的阶段。

• 国外产品特点和占有率

国外网络控制器芯片产品在技术成熟度和市场占有率方面具有显著优势。国际巨头如NVIDIA、Intel和AMD等公司，凭借其在芯片设计和制造领域的深厚积累，推出了在数据处理速度、能效比和系统集成度等方面高性能系列产品。这些厂商通过技术迭代创新和市场拓展，形成了强大的品牌影响力和客户忠诚度，巩固了其在全球网络控制器芯片市场的领先地位。

• 国内产品在技术上遇到的难点

国内网络控制器芯片产品在技术研发和产业化过程中面临一系列挑战。网络控制器芯片技术涉及多个领域，包括网络处理、存储管理、安全加密等，需要高度专业化技术团队和深厚的技术积累。国内厂商在核心知识产权、制造工艺和系统集成等方面与国际巨头存在一定差距，限制了产品竞争力。新产品的研发周期长，国内企业在融资渠道、投资规模和回报周期等方面均存在诸多短板。

当前，国内网络控制器芯片产品自主研发通过多年攻坚，取得了令人瞩目的进展，

网络控制器芯片国产替代的重要性

网络控制器芯片研制成功投放市场具有战略意义。国产替代意味着什么？

• 掌握自主可控技术。在核心技术和基础设施方面，国产网络控制器芯片能够提供网络连接安全保障，摆脱对外国技术的依赖。
• 促进信息产业升级。国产网络控制器芯片的应用能带动上下游产业链发展，提高在金融、医疗、教育、交通等行业的服务效率和安全水平，形成新的经济增长点。
• 提升国家科技力量。网络控制器芯片作为战略性新兴产品，其国产化进程对提升国家整体科技实力和国际地位具有标志性意义。
• 增强国际竞争力。国产网络控制器芯片通过技术创新和质量提升，有望在国际市场上突破垄断而占据一席之地，增强中国品牌的国际影响力。

网络控制器芯片产品的体系架构

• 总体设计思路

网络控制器芯片的体系架构设计理念旨在实现高效的数据处理能力和灵活的可编程性，以满足不同应用场景下的计算需求。 其总体思路是将数据处理功能与控制管理功能分离，通过专用的数据平面处理数据，充分利用并行处理能力，提高数据处理效率；同时又通过通用的控制平面来管理设备和配置资源，以实现合理的配置和管理，满足数据中心对于高速数据处理和网络传输的需求。

芯启源电子科技公司网卡产品AgilioPro系列CX/GX 采用自主研制成功的DPU芯片，称网络流处理器（Network Flow Processor- NFP）。图1为该芯片外形。

图1 芯启源自主研制的DPU芯片外形

• 组成方块图

图2是网络控制器芯片产品的示意方块图，用于说明其主要组成部分和功能。

图2 网络控制器芯片产品示意方块图

如图2所示，芯片由控制平面和数据平面两大部分组成。控制平面负责网络控制器芯片设备的运行管理、计算任务和计算资源的配置，以及安全管理等功能。它包含一个或多个通用处理器核心，用于执行控制逻辑和管理任务。数据平面则专注于数据的预处理和加速处理，包含多个处理单元和加速单元，以提高数据处理效率。

控制平面和数据平面通过高速的内部接口进行通信和协作，实现数据和指令的交互。控制平面可以根据应用需求配置数据平面的处理单元和加速单元，以实现高效的数据处理。 而数据平面将处理结果通过数据接口输出给外部系统，以满足应用需求。

• 工作原理

-控制平面：控制平面是网络控制器芯片的大脑，负责整个网络控制器芯片设备的运行管理和资源配置。它包含一个或多个通用处理器核心（如ARM、RISC-V等），用于执行控制逻辑和管理任务。控制平面还包含内存、安全模块、设备接口和管理接口等组件。内存用于存储控制程序和数据。安全模块用于实现信任根、安全启动等安全功能。设备接口用于连接和管理其他设备。管理接口则用于与外部系统进行通信和配置。

-数据平面：数据平面是网络控制器芯片的数据处理中心，负责数据的预处理和加速处理。它包含多个处理单元和加速单元，这些单元可以采用不同的架构和指令集，以适应不同的数据处理需求。数据平面还包含内存和数据接口等组件。内存用于存储待处理的数据和中间结果，数据接口则用于与外部系统进行数据交互。

网络控制器芯片产品的性能特点

• 主要性能

国产网络控制器芯片产品的主要性能包括：

- 数据处理速度。 国产网络控制器芯片能够支持高达数百Gbps的数据处理速度，满足数据中心对大量数据实时处理的需求。

- 网络传输能力。具备高效的网络协议处理能力，支持多种网络接口，如10/25/100Gbps以太网。

- 网络安全性。集成了高级加密标准和安全协议，如TLS和IPsec，确保数据传输的安全性和可靠性。

• 特点优势

国产网络控制器芯片的优势在于其适合本土市场的定制化特性和成本效益。

- 成本控制。相较于国外同类产品，国产网络控制器芯片不仅提高国产化比例，更在成本上具有明显优势，在价格敏感的市场中颇具吸引力。

- 定制化服务。国产网络控制器芯片厂商能够提供灵活的生态适配和定制服务，以满足不同行业客户的特定需求。

- 本地技术支持。技术支持团队能够提供快速响应和个性化服务，适应国内市场的各种售后服务需求。

网络控制器芯片产品的应用效果

• 整体解决方案

国产网络控制器芯片产品的整体解决方案围绕实现数据中心的高效管理和算力资源优化分配进行。

- 资源虚拟化。支持基础设施层资源虚拟化，允许数据中心灵活地分配和管理计算资源。

- 硬件性能加速。提升网络、存储和安全等关键任务的性能，减少对CPU的依赖。

- 能效比提升。 通过专用硬件处理特定任务，提高数据中心能效比，降低运营成本。

- 系统集成度提高。与国内数据中心的其他系统和设备兼容，便于集成和维护。

• 应用场景描述

国产网络控制器芯片在应用实景中展现出良好的性能和运行稳定性：

- 云计算。在云服务提供商的数据中心中，网络控制器芯片用于处理虚拟化网络和存储任务，提高云服务的响应速度和可靠性。

- 边缘计算。在边缘计算场景中，网络控制器芯片实现数据的快速处理和分析，支持部署实时应用。

- 金融计算。在金融行业，网络控制器芯片用于加速交易系统和风险管理平台，提供高性能数据处理能力。

- 网络安全。网络控制器芯片在网络安全领域中用于数据包的快速分析和处理，提高安全防护的效率。

• 应用前景

国产替代进程是一个系统工程，产业化需要通过长期市场培育和品牌建设来建立信任和认可。通过在技术创新、产业协同、市场推广和政策支持等多方位给力，期待国产网络控制器芯片在未来两三年内上量上规模，支持更多高负载的应用场景。 有了国产芯片支撑，智能制造、智慧城市、远程医疗等行业的数字化转型将呈现新的生机，对实现技术自立自强，保障国家安全，推动经济高质量发展必将起到不可忽略的作用。