فناوری DPU یا Data Processing Unit یک پردازنده تخصصی برای اجرای بخشی از وظایف زیرساختی مانند پردازش شبکه، سرویسهای ذخیرهسازی، امنیت، رمزنگاری و مجازیسازی است. هدف اصلی آن این نیست که جای CPU یا GPU را بگیرد؛ بلکه با Offload کردن کارهای زیرساختی، منابع CPU را برای اجرای Workloadهای اصلی آزادتر کند.
در این راهنما معماری DPU، تفاوت آن با CPU، GPU، SmartNIC و IPU، کاربرد آن در دیتاسنتر، مجازیسازی و AI، محدودیتهای عملی و معیارهای انتخاب آن را بررسی میکنیم تا مشخص شود چه زمانی استفاده از DPU برای یک سازمان ارزش فنی و اقتصادی دارد.
- DPU مکمل CPU و GPU است و برای پردازش سرویسهای زیرساختی و مسیر داده طراحی میشود.
- Networking، Storage، Security و Virtualization از رایجترین حوزههای Offload در معماریهای DPU هستند.
- همه SmartNICها الزاماً DPU نیستند و مرز این اصطلاحات بین سازندگان کاملاً یکسان تعریف نمیشود.
- Intel برای بخشی از محصولات این کلاس از اصطلاح IPU یا Infrastructure Processing Unit استفاده میکند.
- استفاده از DPU تنها زمانی توجیه دارد که Workload، نرمافزار، سرور و معماری شبکه از قابلیتهای آن پشتیبانی کنند.
- کاهش مصرف CPU یا TCO نتیجه تضمینشده نیست و باید در یک Pilot واقعی اندازهگیری شود.
DPU چیست و چه تفاوتی با CPU و GPU دارد؟
DPU یک واحد پردازشی تخصصی برای اجرای وظایفی است که مستقیماً با جابهجایی، پردازش و حفاظت از داده در زیرساخت ارتباط دارند. در معماری سنتی بسیاری از این وظایف توسط CPU سرور انجام میشوند؛ برای مثال پردازش Packetها، Virtual Switching، رمزنگاری، برخی عملیات Storage I/O، Telemetry و اجرای سرویسهای زیرساختی.
Data Processing Unit معمولاً یک پردازنده یا System-on-Chip قابل برنامهریزی است که رابط شبکه پرسرعت، هستههای پردازشی و شتابدهندههای سختافزاری را برای اجرای سرویسهای شبکه، ذخیرهسازی، امنیت و مدیریت زیرساخت ترکیب میکند.
اهمیت این معماری زمانی بیشتر میشود که حجم پردازش زیرساختی روی Host افزایش پیدا کند. در سرورهایی که بخش قابل توجهی از CPU صرف Networking، Encryption، Storage Services یا Virtualization Overhead میشود، انتقال بخشی از این وظایف به DPU میتواند ظرفیت پردازنده میزبان را برای Workload اصلی آزاد کند.
به همین دلیل، DPU را باید بخشی از روند «پردازش ناهمگون» یا Heterogeneous Computing در نظر گرفت؛ رویکردی که در آن CPU، GPU و پردازندههای تخصصی هر یک وظایفی را انجام میدهند که برای آن مناسبتر طراحی شدهاند. برای مطالعه موضوعات مرتبط با معماری پردازشی سرورها میتوانید مجموعه مقالات سرور و سختافزار را نیز بررسی کنید.
CPU، GPU و DPU چه نقش متفاوتی دارند؟
CPU همچنان پردازنده عمومی و اصلی سیستم است و برای اجرای سیستمعامل، منطق برنامهها و طیف گستردهای از محاسبات طراحی شده است. GPU در مقابل، تعداد زیادی عملیات موازی را با کارایی بالا اجرا میکند و به همین علت در AI، HPC، رندرینگ و تحلیلهای موازی اهمیت دارد.
DPU بیشتر در مسیر I/O و زیرساخت قرار میگیرد. وظیفه آن میتواند پردازش ترافیک شبکه، کنترل Data Path، شتابدهی رمزنگاری، Storage Offload یا جداسازی سرویسهای زیرساختی از Workloadهای کاربر باشد. بنابراین این سه واحد رقیب مستقیم یکدیگر نیستند و در بسیاری از معماریهای پیشرفته کنار هم استفاده میشوند.
| پردازنده | تمرکز اصلی | نمونه وظایف | نقش در سرور |
|---|---|---|---|
| CPU | پردازش عمومی | سیستمعامل، اپلیکیشن، دیتابیس و منطق برنامه | پردازنده اصلی Host |
| GPU | پردازش موازی | AI، Machine Learning، HPC و پردازش برداری | شتابدهنده Workload |
| DPU | پردازش زیرساخت و Data Path | Networking، Storage، Security، Virtualization و Telemetry | Offload و جداسازی سرویسهای زیرساختی |
معماری داخلی DPU چگونه کار میکند؟
معماری دقیق یک DPU به سازنده و نسل محصول بستگی دارد، اما راهکارهای مدرن معمولاً چند جزء را کنار یکدیگر قرار میدهند: هستههای قابل برنامهریزی، رابط شبکه پرسرعت، مسیر داده سختافزاری، شتابدهندههای تخصصی و حافظه یا منابع محلی مورد نیاز برای اجرای نرمافزار زیرساختی.
هستههای پردازشی قابل برنامهریزی
برخلاف یک NIC ساده، بسیاری از DPUها دارای هستههای پردازشی مستقل هستند و میتوانند بخشی از نرمافزار یا Control Plane زیرساخت را روی خود اجرا کنند. این طراحی اجازه میدهد سرویسهایی که در معماری سنتی روی CPU میزبان اجرا میشدند، به دامنهای مستقلتر منتقل شوند.
وجود این هستهها بهتنهایی کافی نیست؛ ارزش واقعی DPU از ترکیب پردازنده قابل برنامهریزی با Hardware Acceleratorها و دسترسی مستقیم به مسیر شبکه یا I/O ایجاد میشود.
رابط شبکه، Data Path و شتابدهندههای سختافزاری
یکی از مهمترین اجزای DPU رابط شبکه پرسرعت آن است. نرخ انتقال داده به مدل و نسل محصول وابسته است و در راهکارهای امروزی میتواند از سرعتهای متداول دیتاسنتری تا صدها گیگابیت بر ثانیه برسد.
شتابدهندههای سختافزاری نیز ممکن است برای پردازش Packet، Encryption، Compression، RDMA، NVMe-oF، Virtual Switching، QoS یا سایر وظایف Data Plane استفاده شوند. نوع و دامنه این قابلیتها میان محصولات مختلف تفاوت قابل توجهی دارد؛ بنابراین هنگام Sizing نباید صرفاً به عبارت DPU روی Datasheet اکتفا کرد.
از آنجا که کیفیت NIC و Data Path تأثیر مستقیمی بر این معماری دارد، مطالعه راهنمای انتخاب NIC در شبکه دیتاسنتر میتواند در درک بهتر این بخش مفید باشد.
امنیت و جداسازی زیرساخت
یکی از جذابترین قابلیتهای DPU امکان جداسازی بخشی از Infrastructure Plane از CPU میزبان است. در معماری مناسب، سرویسهای شبکه و امنیت میتوانند روی یک دامنه پردازشی مستقل اجرا شوند و وابستگی آنها به سیستمعامل یا Workload میزبان کاهش پیدا کند.
برخی محصولات همچنین قابلیتهایی مانند Secure Boot، Cryptographic Acceleration، Isolation و Root of Trust ارائه میکنند. با این حال، وجود DPU بهخودیخود یک معماری را Zero Trust نمیکند؛ سیاست هویت، Segmentation، کنترل دسترسی، Logging و سایر لایههای امنیتی همچنان ضروری هستند. برای بررسی این معماری میتوانید مقاله Zero Trust Security در دیتاسنترها را مطالعه کنید.
مزایای DPU در زیرساخت سرور و دیتاسنتر
مهمترین ارزش DPU، انتقال بخشی از پردازش زیرساختی از CPU میزبان به یک واحد تخصصی است. میزان سود واقعی به نوع Workload، حجم ترافیک، Software Stack و قابلیتهای Offload بستگی دارد و نباید برای همه محیطها یکسان فرض شود.
آزادسازی منابع CPU
زمانی که Network Processing، Virtual Switching، Encryption یا Storage Services سهم قابل توجهی از CPU مصرف میکنند، Offload میتواند منابع بیشتری در اختیار اپلیکیشنها، ماشینهای مجازی یا Containerها قرار دهد.
افزایش Isolation زیرساخت
اجرای بخشی از Infrastructure Services خارج از دامنه پردازشی Host میتواند مرز امنیتی قویتری میان Workload و سرویسهای مدیریتی ایجاد کند؛ البته نتیجه نهایی به طراحی امنیت کل پلتفرم وابسته است.
Data Path تخصصیتر
شتابدهندههای سختافزاری میتوانند عملیات پرتکرار شبکه، Storage و Security را با تأخیر قابل پیشبینیتر و بدون درگیر کردن دائمی هستههای عمومی CPU پردازش کنند.
خود DPU نیز انرژی مصرف میکند. مزیت انرژی زمانی ایجاد میشود که Offload باعث افزایش تراکم Workload، کاهش نیاز به CPU، بهبود بهرهبرداری از سرور یا کاهش تعداد Hostهای مورد نیاز شود. بنابراین Power و TCO باید در سطح کل سیستم اندازهگیری شوند.
مهمترین کاربردهای DPU در زیرساخت سازمانی
ارزش DPU در محیطهایی بیشتر دیده میشود که حجم بالایی از ترافیک، چندمستاجری، مجازیسازی گسترده، نیازهای امنیتی جدی یا زیرساخت AI و HPC وجود داشته باشد. در یک سرور عمومی با بار شبکه محدود، اضافه کردن DPU ممکن است هیچ توجیه اقتصادی مشخصی ایجاد نکند.
Cloud و محیطهای Multi-Tenant
Cloud Providerها میتوانند بخشی از Networking، Storage Virtualization، Security و مدیریت زیرساخت را از Workloadهای Tenant جدا کنند. این تفکیک به افزایش Isolation و آزادسازی منابع Host کمک میکند.
مجازیسازی و Software-Defined Infrastructure
DPU میتواند در پلتفرمهای پشتیبانیشده برخی وظایف Virtual Networking و Infrastructure Services را Offload کند. نمونه شناختهشده این رویکرد در اکوسیستم VMware vSphere دیده میشود؛ با این حال پشتیبانی دقیق باید بر اساس Compatibility Matrix سرور، Hypervisor و DPU بررسی شود.
AI، GPU Cluster و HPC
در سامانههای GPU-محور، حرکت داده میان Compute، Storage و Network اهمیت زیادی دارد. DPU میتواند بخشی از Infrastructure Processing را بر عهده بگیرد تا CPU بیشتر روی آمادهسازی و اجرای Workload تمرکز کند. برای طراحی این نوع زیرساخت، راهنمای انتخاب GPU Server برای پروژههای هوش مصنوعی نیز مفید است.
Storage و انتقال داده پرسرعت
برخی DPUها شتابدهندههایی برای Storage Networking، NVMe Transport، Encryption یا Data Integrity دارند. این قابلیتها در معماریهای Disaggregated Storage، HCI و زیرساختهایی با I/O سنگین ارزش بیشتری پیدا میکنند.
تفاوت DPU با SmartNIC و IPU چیست؟
اصطلاحات DPU، SmartNIC و IPU همیشه مرز کاملاً استاندارد و یکسانی ندارند و Vendorهای مختلف ممکن است محصولات مشابه را با نامهای متفاوت معرفی کنند. به همین علت بهتر است به جای تصمیمگیری صرفاً بر اساس نام محصول، معماری و قابلیتهای واقعی آن بررسی شود.
| مفهوم | تمرکز رایج | سطح برنامهپذیری | نکته مهم |
|---|---|---|---|
| NIC | اتصال شبکه | محدود | وظیفه اصلی انتقال ترافیک میان Host و شبکه است. |
| SmartNIC | Network Offload و Data Path | از محدود تا پیشرفته | بعضی SmartNICهای پیشرفته از نظر قابلیت با DPU همپوشانی دارند. |
| DPU | Networking، Storage، Security و Infrastructure Services | معمولاً بالا | اغلب ترکیبی از هستههای پردازشی و شتابدهندههای تخصصی ارائه میدهد. |
| IPU | Infrastructure Processing | بالا | Intel از اصطلاح IPU برای محصولات Infrastructure Offload خود استفاده میکند. |
دو کارت که هر دو SmartNIC یا DPU نامیده میشوند ممکن است از نظر هسته پردازشی، تعداد Acceleratorها، پهنای باند، Software Stack، Storage Offload، قابلیتهای امنیتی و پشتیبانی Hypervisor تفاوت بسیار زیادی داشته باشند.
چالشها و محدودیتهای DPU پیش از پیادهسازی
اضافه شدن DPU به سرور، یک لایه جدید سختافزاری و نرمافزاری ایجاد میکند. همین موضوع علاوه بر مزایا، پیچیدگی بیشتری در طراحی، Lifecycle Management، Firmware، Monitoring و Troubleshooting به همراه دارد.
سازگاری نرمافزار، Hypervisor و سرور
مهمترین بررسی قبل از خرید، سازگاری است. پشتیبانی از DPU معمولاً به ترکیبی از مدل سرور، Slot و فرم فاکتور، BIOS و Firmware، سیستمعامل، Driver، نسخه Hypervisor و Software Stack سازنده وابسته است.
بنابراین نمیتوان صرفاً با مشاهده PCIe Compatibility نتیجه گرفت که همه قابلیتهای DPU در یک سرور قابل استفاده خواهند بود. Hardware Compatibility List و مستندات OEM و Vendor باید برای همان مدل و نسخه نرمافزاری بررسی شوند.
هزینه، عملیات و مهارت تیم فنی
DPU هزینه مستقیم سختافزار و در برخی پلتفرمها هزینه نرمافزار، پشتیبانی یا Integration ایجاد میکند. از طرف دیگر، تیم عملیات باید بتواند Firmware، Embedded Software، Telemetry و ارتباط میان Host و DPU را مدیریت و عیبیابی کند.
در محیطی که فشار CPU ناشی از Infrastructure Services پایین است، این هزینه و پیچیدگی ممکن است در برابر مزیت حاصل منطقی نباشد. به همین دلیل استفاده از DPU باید بر اساس یک Business Case مشخص انجام شود، نه صرفاً به دلیل جدید بودن فناوری.
اگر Workload شبکه سبک است، تعداد VMها محدود است، سرویسهای زیرساختی CPU زیادی مصرف نمیکنند یا پلتفرم فعلی Offload مورد نیاز را پشتیبانی نمیکند، یک NIC استاندارد یا SmartNIC مناسب میتواند انتخاب سادهتر و اقتصادیتری باشد.
راهنمای انتخاب و پیادهسازی DPU برای سازمانها
انتخاب DPU باید از نیاز Workload آغاز شود، نه از مشخصات یک کارت. ابتدا باید مشخص شود کدام بخش از Infrastructure Processing در محیط فعلی Bottleneck ایجاد کرده و آیا Offload آن واقعاً امکانپذیر است یا خیر.
- Baseline تهیه کنید: میزان CPU مصرفشده برای Networking، Storage، Encryption و Virtualization را در شرایط واقعی اندازهگیری کنید.
- هدف Offload را مشخص کنید: روشن کنید هدف کاهش CPU Overhead، افزایش Network Throughput، Isolation، Storage Acceleration یا ترکیبی از این موارد است.
- Compatibility را بررسی کنید: مدل سرور، فرم فاکتور، PCIe، Firmware، Hypervisor، سیستمعامل و Software Stack باید با DPU مورد نظر سازگار باشند.
- پهنای باند را بر اساس معماری انتخاب کنید: سرعت پورت بهتنهایی معیار کافی نیست؛ Oversubscription، East-West Traffic، Storage Traffic و توپولوژی شبکه نیز باید بررسی شوند.
- Pilot واقعی اجرا کنید: همان Workload، تعداد VM یا Container و الگوی Traffic محیط Production را تا حد امکان در آزمایش بازسازی کنید.
- عملیات روز دوم را آزمایش کنید: Monitoring، Firmware Update، Failover، Troubleshooting و Recovery باید قبل از Rollout گسترده بررسی شوند.
- TCO را در سطح کل سیستم محاسبه کنید: قیمت DPU، لایسنس احتمالی، توان مصرفی، تعداد CPU Core آزادشده، تراکم Workload و هزینه پشتیبانی را کنار هم قرار دهید.
DPU چه تأثیری بر آینده سرورها دارد؟
روند طراحی دیتاسنتر به سمت تخصصیتر شدن پردازش حرکت کرده است. CPU دیگر تنها واحدی نیست که همه وظایف سیستم را اجرا میکند؛ GPU برای پردازش موازی، شتابدهندههای AI برای مدلهای یادگیری ماشین و DPUها برای بخشی از Data Movement و Infrastructure Services به معماری اضافه شدهاند.
یکی از حوزههای مهم رشد DPU، زیرساخت AI است. افزایش تعداد GPUها به معنی رشد شدید ترافیک میان Compute، Network و Storage است و مدیریت این جریان داده میتواند بخش قابل توجهی از منابع زیرساخت را مصرف کند. در چنین محیطی، DPU یا دیگر پردازندههای Infrastructure Acceleration میتوانند نقش مهمتری در Front-End Networking، Storage Access، Security و Isolation داشته باشند.
Cloud و Edge نیز از سناریوهای طبیعی این معماری هستند. در Edge، محدودیت منابع و نیاز به پردازش نزدیک به منبع داده اهمیت دارد؛ در Cloud نیز Multi-Tenancy و جدا کردن Infrastructure Plane از Workload مشتری اهمیت بیشتری پیدا میکند.
با این حال، آینده سرورها الزاماً به معنی نصب DPU در همه Hostها نیست. محتملتر است که DPU به یکی از اجزای انتخابی معماری تبدیل شود و در Workloadهایی استفاده شود که Offload، Isolation و پردازش Data Path ارزش مشخصی ایجاد میکنند.
جمعبندی؛ آیا سازمان شما واقعاً به DPU نیاز دارد؟
Data Processing Unit مرحله دیگری از تخصصی شدن پردازش در دیتاسنتر است. این فناوری میتواند بخشی از Networking، Storage، Security و Virtualization Infrastructure را از CPU جدا کند و در محیطهای مناسب، منابع بیشتری برای اجرای Workloadهای اصلی در اختیار سرور قرار دهد.
اما DPU یک ارتقای عمومی برای تمام سرورها نیست. سازمانهایی که حجم بالای East-West Traffic، محیط Multi-Tenant، مجازیسازی متراکم، زیرساخت AI/HPC، Storage Networking سنگین یا نیاز جدی به Infrastructure Isolation دارند، بیشترین دلیل را برای ارزیابی این فناوری خواهند داشت.
تصمیم نهایی باید پس از بررسی Compatibility، عملکرد واقعی، هزینه، پشتیبانی نرمافزاری و توان تیم عملیاتی گرفته شود. در پروژههای سازمانی، یک Pilot کوچک و قابل اندازهگیری بسیار ارزشمندتر از انتخاب صرفاً بر اساس مشخصات اسمی Vendor است.
سوالات متداول درباره DPU
DPU با چه سیستمعاملها و Hypervisorهایی سازگار است؟
پاسخ به Vendor، مدل DPU، مدل سرور و نسخه نرمافزار بستگی دارد. Linux و برخی پلتفرمهای مجازیسازی سازمانی از DPUهای مشخص پشتیبانی میکنند، اما Compatibility باید برای همان ترکیب دقیق Hardware و Software بررسی شود.
تفاوت DPU با SmartNIC چیست؟
SmartNIC اصطلاح گستردهای برای کارت شبکه دارای قابلیتهای Offload و برنامهپذیری است. DPU معمولاً علاوه بر Data Path شبکه، هستههای پردازشی و Acceleratorهای بیشتری برای اجرای Infrastructure Services دارد؛ با این حال در بازار میان SmartNICهای پیشرفته و DPU همپوشانی وجود دارد.
IPU چه تفاوتی با DPU دارد؟
IPU اصطلاحی است که بهخصوص توسط Intel برای Infrastructure Processing Unit استفاده میشود. از نظر هدف معماری، IPU و DPU میتوانند وظایف مشابهی مانند Network و Storage Offload، Isolation و Infrastructure Processing انجام دهند؛ بنابراین مقایسه باید بر اساس قابلیت واقعی محصول باشد.
آیا DPU برای همه دیتاسنترها ضروری است؟
خیر. بیشترین ارزش DPU در محیطهایی دیده میشود که Infrastructure Overhead، ترافیک شبکه، Multi-Tenancy، AI/HPC یا نیازهای امنیتی و Isolation بالا باشند. برای Workloadهای سادهتر ممکن است NIC یا SmartNIC معمولی انتخاب اقتصادیتری باشد.
DPU چگونه بر TCO و مصرف انرژی تأثیر میگذارد؟
DPU هزینه و توان مصرفی خود را دارد، اما اگر Offload باعث آزاد شدن CPU Coreها، افزایش تراکم Workload یا کاهش تعداد سرورهای مورد نیاز شود، میتواند به بهبود TCO کمک کند. این موضوع باید با Benchmark و مدل هزینه مخصوص همان سازمان سنجیده شود.
برای شروع پروژه DPU چه مهارتهایی در تیم IT لازم است؟
دانش Networking، Linux، Virtualization، Firmware Management، Monitoring و Troubleshooting زیرساخت اهمیت زیادی دارد. علاوه بر این، تیم باید با SDK و ابزارهای مدیریتی Vendor انتخابشده آشنا شود و فرآیند Lifecycle Management را قبل از Production آزمایش کند.
مطالب و راهکارهای مرتبط
اگر هدف شما بررسی معماریهای جدید سرور، Edge یا زیرساختهای شتابیافته برای AI است، مسیرهای زیر میتوانند ادامه منطقی این راهنما باشند.
برای بررسی پلتفرمهای محاسباتی مناسب Workloadهای AI میتوانید محصولات Dell AI Servers را مشاهده کنید.
مقاله Edge Computing و آمادگی دیتاسنترها ارتباط میان پردازش نزدیک به داده و زیرساخت نسل جدید را بررسی میکند.
برای شناخت یکی دیگر از فناوریهای مهم معماری سرورهای جدید، راهنمای فناوری CXL در سرورها را مطالعه کنید.
HPE
DELL
Broadcom
HPE
DELL
Broadcom
Vmware