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智能網卡萌發(fā)的主要原因為CPU算力相對網絡傳輸速率的差距持續(xù)擴大，激發(fā)網絡側專用計算需求，且智能網卡可搭載多元化功能如虛擬交換、存儲、數(shù)據(jù)、網絡加密等。

本文來源頭豹“2021中國智能網卡（SmartNIC）行業(yè)概覽”，包括智能網卡行業(yè)綜述、行業(yè)產業(yè)鏈、行業(yè)驅動因素、智能網卡行業(yè)壁壘以及智能網卡企業(yè)介紹。

下載地址：2021中國智能網卡行業(yè)概覽

CPU算力增長速度與數(shù)據(jù)中心網絡傳輸速率增長速度差距逐漸拉大，催生了智能網卡的需求。后摩爾時代下，CPU算力無法按照摩爾定律增長，提升遭遇瓶頸，而數(shù)據(jù)中心網絡向高帶寬和新型傳輸體系發(fā)展，其網絡傳輸速率邁向100Gbps，且未來快速向200Gbps與400Gbps發(fā)展。

智能網卡作用為靈活卸載CPU不適合的處理任務，滿足數(shù)據(jù)平面網絡處理需求并兼容現(xiàn)有網絡協(xié)議生態(tài)。其核心作用在于減輕CPU算力負擔并讓其處理更重要的任務。而傳統(tǒng)的網卡僅負責數(shù)據(jù)鏈路的傳輸、網絡堆棧算法和協(xié)議，其他如存儲、網絡加解密和安全等功能會占用大量CPU資源。

智能網卡理論上可基于FPGA、MP與ASIC三類核心處理器進行設計，而已商用的智能網卡產品形態(tài)為"ASIC+GP"和"NP+GP"，基于不同核心處理器的智能網卡類別及其特點。

全球智能網卡行業(yè)未來五年新增市場規(guī)模逐步攀升，主要得益于智能網卡方案的逐步成熟，疊加全球通用服務器出貨量的穩(wěn)定增長以及L3級別智能駕駛汽車的技術落地。

中國智能網卡行業(yè)在2023-2025年迎來高速增長，主要得益于新一輪服務器在網更新周期及各類云應用普及率的提升中國智能網卡新增市場規(guī)模及預測。中國互聯(lián)網+云計算廠商更偏好采用中國自研的智能網卡產品，而非北美廠商如lntel、NVIDIA、Broadcom等，但中國廠商在技術上與北美廠商存在較大差距，且中國廠商缺乏商用經驗，其產品大多停留在實驗室階段，量產存在困難。同時，不同廠家技術方案差異化巨大，導致服務器升級改造時易出現(xiàn)硬件不兼容的情況。

智能網卡產業(yè)鏈為從上游軟件側EDA、IP核、硬件側的制造和封裝到中游智能網卡的集成和供應，再到下游云計算、通信和智能駕駛領域的應用。

EDA工具軟件可分為芯片設計輔助軟件、可編程芯片輔助設計軟件、系統(tǒng)設計輔助軟件等。Synopsys、Cadence、Mentors約占全球EDA市場份額的80%，占中國市場份額的90%。

IP核將一些在數(shù)字電路中常用但較為復雜的功能塊設計成可修改參數(shù)的模塊，主要有三種存在形式∶ HDL語言形式，網表形式和版圖形式。ARM占全球IP核市場份額的40.8%。

智能網卡上游EDA軟件主要應用在可編程邏輯芯片設計中，其市場已在全球范圍內形成較為成熟的競爭格局， EDA三巨頭通過兼并收購持續(xù)擴大規(guī)模并占據(jù)全球80%市場份額。

EDA軟件主要應用在可編程的邏輯芯片設計中，如FPGA芯片的設計。其設計流程主要為7個步驟，分別為設計準備、設計輸入、功能仿真、邏輯綜合、布局布線、時序仿真、編程下載與硬件測試。

整個芯片設計流程需要用到的EDA工具有設計輸入編輯器、仿真器、HDL綜合器、適配器和編輯器。整個過程需要不停低迭代，直到通過功能仿真和時序仿真驗證。

EDA軟件行業(yè)在全球范圍內已形成成熟的競爭格局，三大EDA巨頭Synopsys、Cadence和Mentor占據(jù)全球80%的市場份額。三大EDA巨頭總體在邏輯綜合工具、時序分析工具、模擬/混合信號定制化電路、版圖設計、布局布線工具相較于其他EDA軟件開發(fā)商有著絕對的優(yōu)勢。

智能網卡上游封測環(huán)節(jié)為集成電路制造的后道工序，對提升智能網卡芯片的穩(wěn)定性及制造水平尤為關鍵。未來高端集成電路國產化替代空間大，中國本土封測廠商市占率有望提升。

封測為IC制造的后道工序，分為封裝和測試，是提高IC穩(wěn)定性及制造水平的關鍵工序。封裝環(huán)節(jié)是將引線框架上的集成電路焊盤與引腳相連接以達到穩(wěn)定驅動集成電路的目的，并用塑封料保護集成電路免受外部環(huán)境損傷；廣義半導體測試工藝貫穿IC設計、制造、封測三大過程，包括驗證設計、晶圓檢測（CP）和封測環(huán)節(jié)中的成品檢測（FT）。

智能網卡產線的萌生受到數(shù)通市場需求的強驅動，其將網絡、存儲、操作系統(tǒng)中需要高性能的數(shù)據(jù)平面卸載到智能網卡以降低"數(shù)據(jù)中心稅"，讓CPU集中精力于客戶的應用程序。

數(shù)據(jù)中心是進行大規(guī)模計算、海量數(shù)據(jù)存儲和提供互聯(lián)網服務的基礎設施。近年來，人工智能和大數(shù)據(jù)的興起對算力的要求激增，然而，在后摩爾定律時代，CPU算力增長放緩，需要新的體系結構以增強其算力、網絡傳輸?shù)确矫娴男阅?。同時，相比數(shù)據(jù)中心，云數(shù)據(jù)中心的應用類型和用戶交互方式更豐富，硬件更加定制化。資源虛擬化、分布式計算、定制化計算和細粒度計算是云數(shù)據(jù)中心的四大趨勢。

在四大趨勢下，從虛擬網絡、網絡功能、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理四個方面產生的除用戶應用程序外的"數(shù)據(jù)中心稅"不僅浪費了 CPU資源，還導致應用程序無法充分利用硬件的低延遲和高吞吐量。將虛擬網絡、網絡功能、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等功能卸載至智能網卡上進行處理，對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的性能和成本有重要意義。

數(shù)據(jù)中心分布式計算催生了高性能數(shù)據(jù)中心網絡，而虛擬化、網絡功能、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)結構處理伴隨著巨大性能開銷。

數(shù)據(jù)結構處理中，鍵值存儲通?；诠１韺崿F(xiàn)，高性能鍵值存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心稅吞吐量瓶頸可歸因為鍵值操作中的計算和隨機存儲器訪問中的延遲。基于 CPU的鍵值存儲需花費CPU周期來進行鍵比較和哈希槽計算，KV-Direct可將鍵值處理從CPU移動到智能網卡上進行。

基于虛擬交換機的網絡虛擬化模型中，虛擬機發(fā)送和接收的每個數(shù)據(jù)包都需要由虛擬交換機（vSwitch）處理，與非虛擬化環(huán)境相比，這種額外的主機處理會降低性能和吞吐量，增加平均延遲，并增加CPU的使用率。

雖然軟件實現(xiàn)的虛擬交換機和網絡高層次虛擬化功能可以使用更多數(shù)量的CPU核來支持更高的性能，但這會加大資產和運營成本。把硬件資源抽象成順序讀寫的套接字連接。存儲被抽象成文件系統(tǒng)。

對于分布式應用程序普遍使用操作系統(tǒng)中的套接字原語進行通信，而對于HTTP負載均衡器、DNS服務器、 Redis鍵-值存儲服務器等通信密集型的應用程序，操作系統(tǒng)占用了50%至90%的CPU時間，大部分用來處理套接字操作。

數(shù)據(jù)中心低延時、高帶寬的網絡服務，以及虛擬網絡轉發(fā)性能提升的迫切需求驅動著智能網卡的發(fā)展，在網絡協(xié)議和硬件卸載等方面為CPU釋放寶貴資源。

智能網卡作為一種有編程能力的網卡，可以快速處理網絡協(xié)議，提供高效的網絡I/O。傳統(tǒng)的網卡僅支持標準以太網或Infiniband中的一種網絡協(xié)議，而智能網卡除了傳統(tǒng) TCP/IP協(xié)議，還支持RoCE v1/v2、iWARP等加速數(shù)據(jù)通路的協(xié)議，進而從CPU上卸載更多網絡協(xié)議處理到網卡上，在數(shù)據(jù)中心中也能提供低延時、高帶寬的網絡服務。

云計算場景下的虛擬化技術需要靠軟來實現(xiàn)Hypervisor，但伴隨巨大的性能開銷。虛擬機和物理機仍存在較大的性能差距，阿里云和亞馬遜等云廠商將虛擬化、網絡、存儲等相關組件卸載到智能網卡上，從而消除虛擬化、網絡和存儲組件帶來的開銷，提高虛擬機的性能。

5G技術要求網絡實現(xiàn)"大容量、大帶寬、大聯(lián)結、低延遲、低功耗"驅動了智能網卡在邊緣機房部署的可能。在當前網絡架構中，核心網部署在遠端，傳輸時延較大，且無法滿足5G時代下數(shù)字化和智能化對算力的高要求。

為了分擔終端算力，將算力向云端移動，同時為了降低時延，將業(yè)務向邊緣移動。MEC部署在網絡邊緣，可以減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的轉發(fā)和處理時延，并降低終端成本。但隨著各種業(yè)務和應用匯聚在邊緣端，導致MEC邊緣云的計算開銷激增，而邊緣機房的供電、散熱及承重能力有限，無法通過堆加大量的X86 CPU來提升算力，且 CPU性能已無法按摩爾定律增長。

中國智能網卡廠商硬件性能較國際巨頭差距較大，落后原因為技術積累不足以及上游EDA和先進制程工藝被外國掌控;智能網卡軟件行業(yè)進入門檻較低，但中國本土企業(yè)創(chuàng)新速度同樣落后于國際巨頭智能網卡硬件壁壘。

中國網絡芯片的傳輸速率落后國際巨頭1-2代，停留在10Gbps。中國網絡芯片時延為5ms左右，與國際巨頭NVIDIA和Boradcom的網絡芯片時延高2-4ms。落后的主要原因為高傳輸速率的網絡芯片是基于調制解調模型QAM完成的，而中國本土企業(yè)對OAM算法優(yōu)化程度不足，難以開發(fā)高速率網絡芯片；另外，25/40Gbps的網絡芯片采用的是10/14nm制程工藝，研發(fā)周期超過2年且研發(fā)成本超千萬，初創(chuàng)企業(yè)難以負擔。

中國處理芯片如FPGA門級數(shù)停留在千萬級，制程為28nm，而國際巨頭FPGA先進制程為7/10nm，門級數(shù)過億。落后的主要原因為中國缺乏EDA工具，不能支持門級數(shù)過億的設計工作，且美國對中國施加EDA出口限制; 另外，14nm處理芯片產線開工成本高、若無一定訂單量支撐，芯片代工廠難以投產。

智能網卡功能的實現(xiàn)如VxLAN、RDMA、DPI等功能的開發(fā)難度相對較低，只需要研發(fā)團隊對匯編語言和底層協(xié)議熟悉即可，但功能的創(chuàng)新研發(fā)速度相比國際巨頭至少落后半年，市面上的硬件與虛擬操作系統(tǒng)版本眾多，智能網卡企業(yè)難以做到同時兼容所有版本。

1、英偉達（NVIDIA）

全球可編程圖形處理技術領袖，是GPU（圖形處理器）的發(fā)明者，也是人工智能計算的引領者。英偉達2020Q1營收同比增長83.8%，游戲業(yè)務和加密貨幣為主要推動因素。

英偉達2021年Q1營收為56.6億美元，同比增長84%。英偉達擬以400億美元收購Arm，Am的芯片設計IP被廣泛應用于各類終端市場，在全球移動芯片市場中，Arm架構占比超過九成。收購Am可讓英偉達利用其數(shù)據(jù)中心智能網卡方面的領先地位，開創(chuàng)一個基于Arm架構的服務器解決方案新時代，但目前此筆收購存在巨大不確定性。

數(shù)據(jù)中心業(yè)務連創(chuàng)新高英偉達自收購Mellanox以來，其數(shù)據(jù)中心產品表現(xiàn)強勁，下游客戶對以太網和InfiniBand需求旺盛。數(shù)據(jù)中心業(yè)務已連續(xù)6季度營收創(chuàng)歷史新高。

2、英特爾（Intel）

半導體行業(yè)和計算創(chuàng)新領域的全球領先廠商，其SmartNIC C5020X和N5010智能網卡可將交換、存儲和安全等功能從服務器CPU上卸載并釋放CPU資源，提升數(shù)據(jù)中心性能。英特爾微處理器包括ltanium，Xeron，PentiumⅢ及Celeron等著名的品牌。

英特爾公司業(yè)績整體表現(xiàn)疲軟，主要原因為上游云廠商庫存去化和資本開支放緩，以及政企客戶需求降低。針對數(shù)據(jù)中心的10nm至強可拓展處理器IceLake也進入交付階段。

英特爾2021年Q1營收為196.7億美元，同比下降0.78%。英特爾針對數(shù)據(jù)中心研發(fā)的最強數(shù)據(jù)中心處理器Ice Lake正式發(fā)布并進入交付階段。其采用10nm制程工藝，并搭配英特爾傲騰持久內存與存儲產品組合、以太網適配器、以及FPGA和經過優(yōu)化的軟件解決方案，可在數(shù)據(jù)中心、云計算、5G和邊緣計算等領域提供強大的性能與工作負載優(yōu)化。

3、博通（Broadcom）

全球領先的有線和無線通信半導體公司，前身安華高科技（Avago Technologies）收購芯片制造商博通公司（Broadcom）；其智能網卡BCM58800采用了TruFlow技術，可在硬件上卸載OvS以及實現(xiàn)SDN等功能。

博通主營構成為有線基礎設施和半導體及相關產品，銷售毛利率穩(wěn)步上升，其在路由器和交換機芯片市場份額第一，但在服務器處理器布局較少。

博通2021年Q1營收為132.65億美元，同比增長14.35%。博通業(yè)績增長的原因之一或為在半導體領域多次并購整合優(yōu)質資源后顯現(xiàn)成效。博通在路由器與交換機芯片市場份額第一，但在服務器處理器的布局較少。博通發(fā)揮自身在網絡解決方案的優(yōu)勢，搶奪智能網卡市場，填補其在服務器處理器空白。

下載地址：2021中國智能網卡行業(yè)概覽

中國數(shù)據(jù)處理器行業(yè)概覽（2021）

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中國智能網卡(SmartNIC)行業(yè)概覽（2021）