基于FPGA的SmartNIC技术及其在数据中心的应用

自上世纪80 年代中期首批 PC 机面市后不久，网络接口卡 （NIC） 就已经进入了市场。然而，在过去的几年里，我们看到了 SmartNIC 的兴起。什么是 SmartNIC？按照最基本的定义，SmartNIC 就是可编程NIC。很多厂商只是顺应 SmartNIC 这一概念在自身实现中堆砌冗繁的芯片与固件。一个比较准确的定义是SmartNIC 是包含客户可用的额外计算资源和使用这些资源所需的开源工具的NIC。这些额外的计算资源用来处理进出服务器时的网络流量，以及在应用层面卸载主机CPU。

计算单元

SmartNIC在同一张卡上融合有线网络和计算资源。这些计算资源的构成可包含下列一种或数种类型的资源：传统x86 CPU，如 Arm 核；数字信号处理器 （DSP） 专用核；人工智能 （AI）；网络处理单元 （NPU）；或现场可编程门阵列 （FPGA）。一个SmartNIC 上含有多个上述计算单元的情况并不罕见。

服务器与NIC 连接

每个服务器使用NIC 连接到网络。有时也使用通常用来支持摄像头和恒温器等物联网 （IoT） 设备的嵌入式无线连接，但大多数服务器还是以有线方式连接到网络。采用有线联网的原因较多，不过两个最重要的原因是性能和可用性。

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在可用性方面，有线网络只有在电缆受损或拆除的情况下才中断。至于网络性能方面，我们重点关注两个指标：一个是带宽，可通过网络传输的数据量；另一个是时延，即传输数据所用的时间。

提升算力

虽然今天的数据中心联网采用的是25 GbE，并且正在迅速升级到 50 GbE 和 100 GbE，但仍需要认真地考虑为 SmartNIC 添加额外的计算资源。对于传统的 CPU 核（比如 Arm 的 CPU 核），最高效的使用方式是将它们预留给控制平面管理。例如，一个双核或四核Arm 核组常被用于控制平面管理任务，如将软件卸载到其他计算单元和记录日志。

今天的数据中心NIC 每秒要处理数百万乃至超过一亿个网络数据包。即便主频在3GHz 的 Arm 核，也不能胜任每秒检查和处理数百万个数据包的工作，更别说数千万个数据包了。每秒的指令数根本不够应付这样大数量的数据包。处理这样大数量的数据包，需要使用专用计算资源，如专用网络处理器、FPGA或 GPU 核。

FPGA 的并行处理和可编程逻辑特性，常常使其成为这种任务的最佳选择。FPGA 可以通过重配置快速解析网络数据包报头，甚至是数据包本体。然后采取必要的处理，如丢弃数据表、包装数据包或以线速率修改数据包内容。赛灵思 Alveo SN1000 SmartNIC 就是包含一个 Arm 核组和一个网络处理器的基于 FPGA 的 SmartNIC 的典型示例。

 

卸载

CPU卸载是 SmartNIC的一个关键用途。区块链散列和视频转码等计算密集型任务交由SmartNIC 单独处理即可，从而释放了宝贵的服务器 CPU 资源。

区块链依赖的是求解工作量证明。网络上完成求解的第一个节点会得到奖励，并允许在链上捆绑并发布下一个区块。SmartNIC能在计算下一个解时，将区块链和待完成事项保存在存储器中。如果求解成功，SmartNIC就公布这个区块并开始处理下一个区块。

视频转码是另一种非常适合SmartNIC 从主机 CPU卸载的任务。使用自适应比特率 （ABR） 压缩支持移动设备的视频转码，是另一种 CPU 密集型任务（特别是对于实时视频应用而言）。这些压缩任务极度线性，在移植到基于 FPGA 的加速器上后，被证明效率较通用 CPU 提高 10 倍到 20 倍。

此外，SmartNIC 还内置基本的 Netfilter 防火墙，从主机 CPU 卸载过滤出入站数据包的任务。Netfilter 是一种新版本的 IP 信息包过滤系统，为过滤网络流量提供了非常可靠的架构。将这个防火墙卸载到 SmartNIC，每秒可为主机 CPU节省数百万条指令，以支持于在服务器上运行的其它应用。

我们也提供数据包封装，也就是封包功能。一旦我们对虚拟化或容器化系统使用叠加网络，我们就需要封装网络数据表，让它们在这些叠加网络间正确路由。叠加网络处理的例子如 Open vSwitch （OvS）。它有非常高的 CPU 占用率，因此将这个任务卸载到 SmartNIC 可释放大量主机 CPU 周期。

最后，我们还可以卸载通常运行在 DNS 等服务器上或内存数据库上的主要网络应用。完全在 SmartNIC 内处理 DNS 查询是一种典型的 SmartNIC 应用，因为事务较小而且查找表处理速度较快。

采用 SmartNIC 进行存储控制

SmartNIC 也能兼用作存储控制器。像赛灵思 Alveo U25 这样的一些 SmartNIC，自己的本地存储拥有千兆字节片上和板载存储器（比如 U25 有 6GB）。这种存储可兼用作服务器自己的 NVMe 磁盘的缓存。这种做法很有意义，因为 Compute Express Link （CXL） 等协议能让未来的 SmartNIC 直接管理与 NVMe 驱动器的关系。

 

赛灵思Alveo U25 智能网卡

此外，SmartNIC 也能在硬件中进行抹除编码，还可以为存储加密。对于驱动器加密，SmartNIC 提供了一种独特的安全机制。如果使用 SmartMIC 为存放到NVMe存储的数据进行加密或解密，要破解这种加密，就需要同时拥有这两个设备。如果管理员拆下 NVMe 驱动器到其他地方去解密，他们只能使用暴力破解法，猜测被留在 SmartNIC 上的缺失的加密密钥。

SmartNIC 可以方便地采用密码术保障上电周期间密钥的安全性，进一步提高系统的可靠性和安全性。例如，被赛灵思收购的Solarflare在 NIC 上保持着一个硬件安全隔离区，过去几年一直在其 X2 芯片上存储 NIC 密钥。未来的 SmartNIC 安全隔离区将有望为 SSL/TLS 端点加密保存数十万个安全密钥并保障它们的安全。

电子交易

最后，SmartNIC 还在另外一个领域里大有前途。那就是超低时延电子交易。我们在上文里谈论过在几百亿分之一秒内传输网络数据包。今天，高性能25-GbE NIC的时延在1，000ns左右。采用正确架构的系统、正确的软件和调试到位的 SmartNIC，能在收到网络数据包的同时完成分析，一次四个字节。响应数据包则能以令人惊奇的 22ns 内注入到网络中。这比传统的高性能 NIC 速度提高了 40 多倍。当用于电子交易时，这些 SmartNIC 的投资回报 （ROI） 有时可以不到一秒就能测得。

 

市场采用日益攀升

随着云服务提供商不断扩大容量，他们也在增加 SmartNIC 的部署，以将宝贵的 CPU 核心释放给业务应用，优化服务器利用率。今天的服务器往往把 30% 的 CPU 周期用在管理网络上。即相当于每三部生产服务器中就有一部用于组网。SmartNIC 支持系统架构师将高性能计算资源部署在服务器的边缘，也就是网络上。然后 SmartNIC就能用于保护服务器，进而保护企业，同时有力地从成本高昂得多的服务器 CPU 上卸载任务。

审核编辑：郭婷