DPU軟件棧五層模型系列（一）DPU異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)五層開(kāi)發(fā)模型

一般說(shuō)來(lái)，異構(gòu)計(jì)算的核心目的是解決特定應(yīng)用場(chǎng)景下算力不足的問(wèn)題，并且大幅度提升整體系統(tǒng)的計(jì)算性能。在整體架構(gòu)上，它的分層邏輯從應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，通過(guò)上層的需求來(lái)定義下層的功能，而每一層是對(duì)特定功能的抽象與封裝。在定義每一層功能時(shí)，要達(dá)到以下幾個(gè)目標(biāo)：

各層職責(zé)單一

層間邊界清晰

層內(nèi)功能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立

靈活易擴(kuò)展

基于上述目標(biāo)，將一個(gè)異構(gòu)計(jì)算的系統(tǒng)抽象為五層（如下圖所示），自下而上分別是：1）DSA設(shè)備層（DSA Device Layer），2）DSA操作層 （DSA Operating Layer），3）計(jì)算引擎層（Scheduling Operating Layer），4）應(yīng)用服務(wù)層（Application Service Layer）和5）業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)層 （Business Development Layer），詳述如下。

一、DSA設(shè)備層

DSA設(shè)備層代表的是執(zhí)行異構(gòu)計(jì)算的DSA處理器以及集成了該處理器的硬件設(shè)備，例如，以DPU或GPU為處理器的異構(gòu)計(jì)算設(shè)備。異構(gòu)計(jì)算設(shè)備需要具備以下兩個(gè)核心能力：1）提供支持專(zhuān)用計(jì)算操作的指令集（Instruction Set），2）CPU或其他DSA設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如PCIe數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

二、DSA操作層

DSA操作層是對(duì)DSA處理器的指令集的管理以及基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的整合，該層完成了對(duì)硬件資源的抽象，從而使上層軟件對(duì)底層設(shè)備透明；DSA操作層是對(duì)DSA設(shè)備層計(jì)算設(shè)備的抽象和計(jì)算資源的封裝，是軟件與硬件、邏輯與物理的邊界。它基于如DPU芯片等DSA處理器提供的指令集，以更加抽象和編程友好的方式對(duì)上層提供了異構(gòu)計(jì)算開(kāi)發(fā)和訪問(wèn)的軟件接口、以及設(shè)備監(jiān)控管理的接口。該層內(nèi)部有四個(gè)必要的模塊，分別是設(shè)備驅(qū)動(dòng)器，指令集管理器，資源訪問(wèn)接口，開(kāi)發(fā)和管理平臺(tái)。

• 設(shè)備驅(qū)動(dòng)器：設(shè)備驅(qū)動(dòng)器是硬件設(shè)備的軟件抽象，它基于操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)框架及PCIe協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算設(shè)備的物理訪問(wèn)，主要包括設(shè)備處理器的指令執(zhí)行和設(shè)備存儲(chǔ)的讀寫(xiě)。
• 指令集管理器：指令管理器的作用是對(duì)計(jì)算設(shè)備所提供的指令集進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過(guò)對(duì)指令集的封裝及組合，提供更加友好的編程接口。
• 資源訪問(wèn)接口：基于設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和指令集管理器的功能，該模塊完成對(duì)整個(gè)計(jì)算資源訪問(wèn)的抽象和封裝，它以編程接口的方式對(duì)上層提供資源訪問(wèn)入口，服務(wù)于上層計(jì)算邏輯和控制邏輯的執(zhí)行。
• 開(kāi)發(fā)和管理平臺(tái)：除了上述運(yùn)行時(shí)所需的能力外，還需要針對(duì)開(kāi)發(fā)人員提供友好的編程工具，如指令集編譯工具、監(jiān)控管理工具、日志工具、異構(gòu)計(jì)算卡模擬器等。

三、計(jì)算引擎層

計(jì)算引擎層是對(duì)計(jì)算邏輯的封裝，為上層提供通用的計(jì)算能力。與DSA操作層的對(duì)計(jì)算資源封裝不同，計(jì)算引擎層是對(duì)計(jì)算邏輯的封裝，它基于DSA操作層提供的資源訪問(wèn)接口，根據(jù)上層應(yīng)用層軟件對(duì)算力的需求，提供了可復(fù)用的算子集合及執(zhí)行接口。

算子抽象

算子定義為實(shí)現(xiàn)某一特定功能或算法的函數(shù)或獨(dú)立的服務(wù)，它是對(duì)計(jì)算邏輯的抽象。例如，根據(jù)指定條件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾的函數(shù)可以是一個(gè)算子，稱(chēng)它為“過(guò)濾算子”。在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件中，它的算子有Scan, Join, GroupBy等，而在網(wǎng)絡(luò)處理軟件中，特有的算子會(huì)是以BSD Socket，NVMe等標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的形式呈現(xiàn)。由于異構(gòu)計(jì)算的“異構(gòu)”特性，每個(gè)算子在不同設(shè)備上的具體實(shí)現(xiàn)有所不同，所以針對(duì)每一個(gè)支持的算子，都要有多種不同設(shè)備平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)，如ScanOnDPU、ScanOnGPU。

計(jì)算優(yōu)化器

異構(gòu)計(jì)算追求的是計(jì)算性能的提升，相應(yīng)的需要一個(gè)計(jì)算優(yōu)化器來(lái)對(duì)上層的計(jì)算請(qǐng)求做優(yōu)化。它的基本策略是根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、上下文、數(shù)據(jù)規(guī)模等因素來(lái)動(dòng)態(tài)的選擇最優(yōu)的算子實(shí)現(xiàn)進(jìn)行計(jì)算。

四、應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層是數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用服務(wù)軟件，也是算力的需求側(cè)。應(yīng)用服務(wù)層代表具有通用功能的軟件系統(tǒng)，這些軟件系統(tǒng)可以利用計(jì)算引擎提供的算子進(jìn)行異構(gòu)計(jì)算，從而達(dá)到計(jì)算性能提升的目的。常見(jiàn)的應(yīng)用層軟件系統(tǒng)有分布式計(jì)算領(lǐng)域的Spark, Flink, Hadoop；數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域的PostgreSQL, MySQL；分布式網(wǎng)絡(luò)中的gPRC，Network Gateway，Nginx；以及存儲(chǔ)服務(wù)中的Ceph等等，基本上通用服務(wù)型的系統(tǒng)都屬于該層的范疇。

在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，針對(duì)應(yīng)用服務(wù)層中的軟件，需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

• 性能瓶頸的識(shí)別：通常應(yīng)用軟件的性能瓶頸會(huì)在高并發(fā)、大吞吐的情況下出現(xiàn)，這些瓶頸一般源于CPU計(jì)算資源的競(jìng)爭(zhēng)、CPU計(jì)算性能的不足、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t以及磁盤(pán)I/O的延遲等。識(shí)別出應(yīng)用軟件的性能瓶頸是算力卸載的第一步。
• 異構(gòu)計(jì)算的有效性邊界：在定位到軟件的性能瓶頸后，需要從中識(shí)別出哪些是可以通過(guò)異構(gòu)計(jì)算來(lái)解決的。通常，CPU成為瓶頸的原因會(huì)有兩類(lèi)，一類(lèi)是算力的問(wèn)題，另一類(lèi)是算法的問(wèn)題。針對(duì)算力的問(wèn)題，可以通過(guò)異構(gòu)計(jì)算來(lái)解決，而算法的問(wèn)題則不然。
• 算子的高效調(diào)用:算子是異構(gòu)計(jì)算的執(zhí)行單元，只有把算子集成到應(yīng)用軟件的執(zhí)行路徑中，算力卸載才算完成。考慮到性能的優(yōu)化，還需要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化算子的執(zhí)行策略，例如，數(shù)據(jù)在主機(jī)端與設(shè)備端內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)拷貝策略、各算子執(zhí)行序列的編排策略等等。
• 應(yīng)用軟件的向前兼容性：在整合應(yīng)用軟件與異構(gòu)計(jì)算的算子時(shí)，要確保應(yīng)用軟件的向前兼容性，以保證應(yīng)用服務(wù)層的軟件迭代對(duì)正在運(yùn)行的上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)是透明的，從而提高整個(gè)架構(gòu)的穩(wěn)定性與可維護(hù)性。

五、業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)層

業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)層是在某特定領(lǐng)域的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)層是最貼近實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景的軟件系統(tǒng)，通常它是針對(duì)某個(gè)特定行業(yè)的具體業(yè)務(wù)需求定制的軟件系統(tǒng)，如金融行業(yè)的交易系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等等。整個(gè)異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)本質(zhì)上就是解決業(yè)務(wù)層的性能瓶頸問(wèn)題，所以在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)該從業(yè)務(wù)端出發(fā)，尋找要解決的根本問(wèn)題，然后驅(qū)動(dòng)整個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)的構(gòu)建。同時(shí)，整體架構(gòu)也要保證底層構(gòu)建對(duì)具體的業(yè)務(wù)系統(tǒng)完全透明，達(dá)到對(duì)各行業(yè)業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)的無(wú)縫支撐和業(yè)務(wù)邏輯開(kāi)發(fā)的隔離。