智能网卡是可以卸载（Offload）通常由主机CPU处理的一些工作负载，并通过硬件的方式进行加速（Acceleration）的一种网络接口卡。智能网卡利用其板上的处理芯片，能够完成加密/解密，防火墙，TCP/IP，HTTP等任何处理任务的组合。
智能网卡硬件中普遍卸载了部分传输层和路由层的处理逻辑（如校验和计算、传输层分片重组等），来减轻CPU的处理负担。甚至有些网卡如RDMA网卡还将整个传输层的处理都卸载到网卡硬件上，以完全解放CPU资源。
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开放系统互连(OSI)协议 |
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L1 |
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物理层 |
链路层 |
网络层 |
传输层 |
会话层 |
表示层 |
应用层 |
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传统网卡 |
主机CPU |
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智能网卡 |
主机CPU |
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传统网卡的瓶颈
- 虚拟交换技术的引入，使得基于服务器的网络数据平面的复杂性急剧增加；
- 网络接口带宽的增加，执行这些功能会给 CPU 资源造成难以承受的负载；
- 传统网卡固定功能的流量处理功能无法适应 SDN 和 NFV；
智能网卡的优势
- 将 vSwitch 完全Offload到智能网卡，释放昂贵的主机CPU资源，将计算力还给应用程序；
- 可以实现基于服务器的复杂网络数据平面功能：多匹配操作处理、计量整形、流统计等；
- 支持网络的可编程性；
- 与现有的开源生态系统无缝协作，以最大程度地提高软件功能的速度和影响力；
智能网卡应用场景
- 智能网卡可应用于数据传输，虚拟交换、数据安全和数据存储等场景。
- 数通领域为智能网卡最大的应用市场，其可为数通领域的云计算厂商提供成熟的硬件加速方案，随着5G和NFV技术的发展，电信市场边缘端对智能网卡需求逐步提升。
- 电信领域内，智能网卡的引入可解决边缘机房升级改造成本过大且无法为MEC提供足够算力的问题，并为MEC在第三方应用、OVS加速等方面提供硬件加速支持。
智能网卡的三种实现方式
根据不同的供应商的架构不同，智能网卡的实现方式可以分为：
- 基于专用集成电路（ASIC Based）：具有价格优势，但灵活性有限，尽管相对容易配置，但最终功能将受到ASIC中定义的功能的限制，可能会导致某些工作负载无法得到支持
- 基于现场可编程门阵列（FPGA Based）：高度可编程，可以相对有效地支持几乎任何功能，但是编程难度大且价格高昂
- 基于片上系统（SOC Based）：价格与性能兼具、易于编程且高度灵活高
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技术途径 |
编程方法 |
特点 |
厂商 |
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基于专用集成电路 (ASIC Based) |
网络接口芯片 ASIC |
一般不支持编程 |
性价比高 配置简单 灵活性差 |
Mellanox ConnectX-5 |
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基于现场可编程门阵列 (FPGA Based) |
FPGA芯片 |
硬件描述语言 |
性能优异 工作负荷最优化 价格高昂 编程难度大 |
Xilinx Alveo U25 Intel Arria 10 GX |
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基于片上系统 (SOC Based) |
SOC芯片 |
高级语言、C语言等 |
性价比高 灵活性高 编程难度小 |
Nvdia BlueField-2 |
1、ASIC实现方式
NVIDIA Mellanox ConnectX-5 智能网卡提供高级硬件卸载，以减少 CPU 资源消耗和提高数据中心基础设施的效率，为 Web 2.0、云、数据分析和存储平台提供了最高性能和最灵活的解决方案。
Mellanox ConnectX-5 以ASIC的方式集成实现了智能网卡的多个重要功能：
- 支持 RDMA 的智能单端口和双端口网络适配器提供多达两个端口的 100Gb 以太网连接
- 一个 PCIe 交换机和 NVMe over Fabric (NVMe-oF) 卸载
- 共享缓冲区架构和 RoCE 增强提供支持的 Mellanox Multi-Host® 技术
- 先进的 Open vSwitch 卸载，以降低 CPU 资源消耗来驱动极高的数据包速率和吞吐量
2、FPGA实现方式——Xilinx Alveo U50
- Alveo U50 卡采用赛灵思 XCU50 FPGA，基于UltraScale+架构，通过结合多个超逻辑区域 (SLR) 来增大密度。XCU50 包括 2 个 SLR，底部 SLR (SLR0) 各集成 1 个 HBM 控制器，与相邻的 8 GB HBM2 存储器接口连接。
- 卫星控制器为TI MSP432，用于控制和监测电压、电流和温度。主机服务器开发板管理控制器 (BMC) 可与卫星控制器交互，并通过频带外通信来监测和控制 U50 卡
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特性 |
ALVEO U50 |
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架构 |
UltraScale+ |
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总功耗 |
75W |
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外形尺寸 |
半高、半长 |
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网络接口 |
1x QSFP28(100Gb) |
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PCIe 接口 |
Gen3 x16、Gen4 x8 和 CCIX |
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时钟精度 |
IEEE 1588 |
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HBM2 总容量 |
8 GB |
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HB2带宽 |
201GB/s |
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查找表 (LUT) |
872K |
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DSP slice |
5,952 |
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最高分布 RAM |
24.6 Mb |
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散热方案 |
被动散热 |
FPGA实现方式——Intel PAC D5005
- Intel Stratix® 10 FPGA 具有行业领先的可编程逻辑，集成了丰富的嵌入式外设、嵌入式高速收发器、硬核内存器控制器和 IP 协议控制器。
- BMC 与板载传感器、FPGA 和闪存对接，并控制开机/关机序列、FPGA 配置和遥测数据轮询。BMC 使用PLDM协议进行通信。
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特性 |
PAC D5005 |
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架构 |
FPGA based |
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总功耗 |
215W |
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外形尺寸 |
¾长、全高、双槽位 |
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网络接口 |
2x QSFP28(2x100Gb) |
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PCIe 接口 |
Gen3 x16 |
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内存接口 |
4x8 GB DDR4 2400MT/s |
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管理端口 |
Micro-USB |
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FPGA芯片 |
Intel Stratix® 10 |
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BMC管理芯片 |
Intel MAX® 10 |
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Flash |
64Mb+2Gb |
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FRUID EEPROM |
Microchip 24AA024-I/SN |
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散热方案 |
被动散热 |
3、SOC实现方式——NVDIA BuleField-2
BlueField-2数据处理单元 (DPU)将行业领先的 Mellanox® ConnectX-6® Dx 网络适配器与一系列 Arm® 内核相结合，提供具有完整软件可编程性的专用硬件加速引擎。
BlueField-2 位于每台服务器的边缘，经过优化，可以快速处理关键基础设施任务，提高数据中心效率。 BlueField-2 为从边缘到核心数据中心和云的云网络、存储、网络安全、数据分析、HPC 和人工智能 (AI) 提供敏捷和高性能的解决方案，同时降低总拥有成本。
BlueField-2提供了广泛的加速软件定义网络、存储、安全和管理服务，能够卸载、加速和隔离数据中心基础设施。
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特性 |
BlueField-2 |
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架构 |
Soc based |
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总功耗 |
最低75W或更高 |
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外形尺寸 |
HHHL/FHHL |
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网络接口 |
双口SFP56 10/25/50/100Gb/s |
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PCIe 接口 |
Gen 3.0/4.0 X8/X16 |
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内存接口 |
8GB /16GB 3200MT/s |
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管理端口 |
NCSI接口和1GbE OOB管理接口 |
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eMMC |
16GbE x8 NAND flash |
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散热方案 |
被动散热 |
关键软件定义、硬件加速的应用程序：
- 网络
vSwitch/vRouter、NAT、负载均衡器、NFV
- 贮存
NVM over Fabrics (NVMe-oF)、弹性存储虚拟化、超融合基础设施 (HCI)、加密、数据完整性、压缩、重复数据删除
- 安全
下一代防火墙、IDS/IPS、信任根、微分段、DDOS 防护
