RISC-V 强势挺进 DPU 领域，引领数据中心架构新变革

在当今科技发展的浪潮中，数据中心一直是 CPU 和 GPU 激烈较量的舞台。然而，在这些备受瞩目的竞争背后，一场悄然无声却影响深远的革命正在上演。ARM 已悄然取代了英特尔和 AMD 在数据处理单元（DPU）市场的份额，而如今，RISC-V 在 DPU 领域的崛起，为重塑行业竞争格局创造了难得契机。

DPU，也被称为 SmartNIC，在数据中心中扮演着 “管道” 的关键角色。它通过高效管理数据包处理、TCP/IP 和 RDMA 等操作，有效减轻了网络负载。同时，它还承担着处理压缩、加密和 NVMe-over-Fabrics (NVMe-oF) 等存储服务的重要任务。在多租户云环境中，DPU 强制执行安全隔离，这对于不断受到考验的信任边界至关重要。此外，它还负责执行编排任务，避免了宝贵的 CPU 周期被浪费。

目前，NVIDIA、Marvell、AMD和 Broadcom 均在其 DPU 中采用了 ARM 内核。原因很简单：ARM 内核体积小、功耗低、可授权，并且已经嵌入到网络芯片中。当英特尔推出其基础设施处理单元 (IPU) 计划时，ARM 已经占领了整个生态系统并制定了标准。

为什么是现在？

从市场发展趋势来看，全球数据处理单元（DPU）市场呈现出强劲的增长态势。预计将从 2023 年的 15 亿美元增长到 2032 年的约 98 亿美元，复合年增长率（CAGR）高达 22.8%。Dataintelo 认为，这一增长主要归因于数据生成的迅猛增长以及各行各业对高效数据管理和处理解决方案的迫切需求。目前，ARM 内核占据了 DPU 出货量的绝大部分，而英特尔仍在持续推广其 IPU，但尚未获得广泛的市场认可。

与此同时，RISC-V 在邻近领域已展现出强劲的发展势头。像来自首尔的 Fadu 等公司，将 RISC-V 内核集成到其企业级 SSD 控制器中，用于 I/O 调度和延迟优化；SiFive 也使用 RISC-V 来加速 I/O。编排和安全处理器也经常依赖于轻量级 RISC-V 设计，例如 OpenTitan。这些应用与 DPU 的角色天然相关。此外，地缘政治因素也为 RISC-V 的发展提供了有利条件，尤其是中国正在加速自主采用 RISC-V，而 DPU 作为主权至关重要的基础设施组件，RISC-V 的应用前景广阔。市场的扩张、ARM 的市场锁定以及超大规模者对架构替代方案的渴望，为 RISC-V 进入 DPU 市场奠定了基础。

RISC-V 在 DPU 中的机会

与 ARM 不同，RISC-V 提供开放式 ISA，企业可以根据其具体工作负载进行定制。这对于集成了各种功能模块的 DPU 尤其重要。DPU 包含用于数据包流的网络引擎、用于压缩和 NVMe-oF 的存储加速器、用于隔离的安全模块以及用于编排的控制平面 CPU。RISC-V 允许供应商使用自定义指令来适应这些角色，而无需依赖 ARM 的固定路线图。

如今的 DPU 通常使用 ARM Cortex - A 内核集群（范围从 Cortex - A53 到 A72）来处理控制平面和轻量级计算功能。一些 RISC-V 供应商（例如 Akeana）支持每核最多四线程的同步多线程（SMT），从而提高了高内存或 I/O 延迟工作负载（例如网络和数据包处理）的吞吐量和利用率。最新的 RISC-V 矢量扩展可以自然地映射到数据包处理、加密和存储加速。新兴的矩阵扩展将可编程性扩展到 AI 推理和安全领域。初创公司 Simplex Micro 的架构在一个时间调度框架内集成了标量、矢量和矩阵执行，利用 RISC-V 的可扩展性，在各种 AI 和 HPC 工作负载中提供确定性的性能。此外，RISC-V 避免了 ARM 的专利费，同时保持了与 Linux、TensorFlow 和 PyTorch 等开源堆栈的兼容性。

了解RISC-V 的标量到矩阵路线图

RISC-V 的发展历程也值得关注。该 ISA 最初致力于标量计算，为微控制器、嵌入式系统和支持 Linux 的简单处理器提供小型、高效的内核。在过去几年中，RISC-V 稳步增加了矢量扩展，实现了数据并行加速，并自然地映射到网络、存储和加密工作负载上。最近，其路线图已扩展到包含矩阵扩展，旨在将 AI 推理和其他矩阵数学密集型任务纳入同一 ISA 框架。

这种从标量到矢量再到矩阵的演进，恰好反映了 DPU 的性能要求。DPU 必须处理标量控制平面逻辑、可矢量化的数据包和加密流，以及日益面向矩阵的遥测和安全推理任务。目前，已有多家公司积极投身于 RISC-V 在 DPU 领域的应用。Akeana 凭借其支持 SMT 的设计和 AI 矩阵计算引擎，成为率先将 RISC-V 直接应用于数据中心级计算的公司之一。Ventana Micro Systems 正在构建服务器级 RISC-V 处理器，该处理器拥有从标量到矢量工作负载的清晰路径，以满足超大规模计算的需求。欧洲的 SemiDynamics 专注于为数据密集型和以 AI 为中心的应用量身定制的可配置矢量核心。

SiFive 重点推出了支持 Linux 和矢量的 RISC-V 内核，旨在满足 HPC 和基础设施的需求。晶心科技已扩展其内核，使其具备矢量和 DSP 功能，以实现嵌入式加速。Simplex Micro 正在开发一种统一的标量 / 矢量 / 矩阵架构，并配备可编程扩展功能，旨在覆盖从边缘到数据中心级的基础设施解决方案。在研究层面，中国的 “香山” 已在同一个架构下进行标量和矢量统一的实验。

跨越式发展还是强化ARM？

当前的关键问题不仅在于 RISC-V 能否取代 ARM，更在于它能否扩展 DPU 的定义本身。ARM 目前在 DPU 领域的主导地位依赖于标量核心加上固定加速器。而 RISC-V 通过将标量、矢量和矩阵可编程性融合到一个平台中，提供了一条跨越式发展的途径。这并不一定意味着要牺牲 ARM 的地位，事实上，ARM 甚至可以采用 RISC-V 矢量和矩阵扩展来巩固其自身的 DPU 地位。对于更广泛的行业而言，RISC-V 在 DPU 领域的崛起为重塑竞争格局提供了难得的机遇。企业不再受 ARM 许可模式的限制，可以根据自身需求调整架构。这对于希望优化功耗、性能和自主权的超大规模计算企业来说尤为重要。RISC-V 还避免了垄断局面，建立了一个开放的生态系统，培育了多条发展路径。

借助 RISC-V，像高通或任何主要供应商这样的公司都能够设计针对其 DPU 架构优化的独特定制 CPU，而无需依赖 ARM 的许可条款和路线图。随着 DPU 成为数据中心基础设施的核心，这种独立性可能成为关键的差异化因素。在 AI 驱动的数据中心架构蓬勃发展的当下，DPU 不再仅仅用于网络，而是用于协调计算、存储和 AI 流程。在这个新的世界中，结合标量、矢量和矩阵可编程性的 DPU 比仅集成标量 ARM 内核和固定功能引擎的 DPU 更具吸引力。

正如 ARM 发现并利用 DPU 的机会超越英特尔和 AMD 一样，RISC-V 现在也提供了重新定义这一类别的机会。供应商无需在 GPU 领域与 NVIDIA 正面交锋，也无需试图重振 CPU，而是可以借助可编程的 DPU 平台实现跨越式发展，重塑数据中心基础设施。无论 RISC-V 能否取代 ARM 或 x86，业界常将其视为 CPU 领域的故事，但更具颠覆性的机会可能在于数据中心的控制平面。ARM 打造了英特尔和 AMD 从未预料到的 DPU 专营权，而现在 RISC-V 有机会凭借矢量和矩阵可编程性重新定义这一类别。最终，ARM 和 RISC-V 可能会在 DPU 领域共存：ARM 保持其主导地位，而 RISC-V 则提供开放、可定制的替代方案。随着市场的成熟，这将为供应商和超大规模计算提供商提供更多架构选择。