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2021年中国智能网卡行业概览 2021 China SmartNIC Industry Overview 2021年中国NIC業界概要 报告提供的任何内容（包括但不限于数据、文字、图表、图像等）均系 头豹研究院独有的高度机密性文件（在报告中另行标明出处者除外）。 未经头豹研究院事先书面许可，任何人不得以任何方式擅自复制、再造 、传播、出版、引用、改编、汇编本报告内容，若有违反上述约定的行 为发生，头豹研究院保留采取法律措施，追究相关人员责任的权利。头 豹研究院开展的所有商业活动均使用“头豹研究院”或“头豹”的商号、商标 ，头豹研究院无任何前述名称之外的其他分支机构，也未授权或聘用其 他任何第三方代表头豹研究院开展商业活动。 概览标签 ：智能网卡、可编程网卡、SmartNic 报告主要作者：张俊雅 2021/062021LeadLeo 头豹研究院简介 头豹研究院是中国大陆地区首家B2B模式人工智能技术的互联网商业咨询平台，已形成集行业研究、政企咨询、产业规划、会展会 议行业服务等业务为一体的一站式行业服务体系，整合多方资源，致力于为用户提供最专业、最完整、最省时的行业和企业数据库服务，帮助 用户实现知识共建，产权共享 公司致力于以优质商业资源共享为基础，利用大数据、区块链和人工智能等技术，围绕产业焦点、热点问题，基于丰富案例和海量数据， 通过开放合作的研究平台，汇集各界智慧，推动产业健康、有序、可持续发展 300+ 50万+ 行业专家库 1万+ 注册机构用户 公司目标客户群体覆盖 率高，PE/VC、投行覆 盖率达80% 资深分析师和 研究员 2,500+ 细分行业进行 深入研究 25万+ 数据元素 企业服务 为企业提供定制化报告服务、管理 咨询、战略调整等服务 提供行业分析师外派驻场服务，平台数据库、 报告库及内部研究团队提供技术支持服务 地方产业规划，园区企业孵化服务 行业峰会策划、奖项评选、行业 白皮书等服务 云研究院服务 行业排名、展会宣传 园区规划、产业规划 四大核心服务2021LeadLeo 报告阅读渠道 头豹科技创新网 PC端阅读全行业、千本研报 头豹小程序 微信小程序搜索“头豹”、手机扫上方二维码阅读研报 图说 表说 专家说 数说 详情请咨询 添加右侧头豹研究院分析师微信，邀您进入行研报告分享交流微信群后摩尔时代下，CPU算力无法按照摩尔定律增长，提升遭遇瓶颈，而数据中心网 络向高带宽和新型传输体系发展，其网络传输速率迈向100Gbps，且未来快速向 200Gbps与400Gbps发展。智能网卡作用为灵活卸载CPU不适合的处理任务，满足 数据平面网络处理需求并兼容现有网络协议生态。其核心作用在于减轻CPU算力 负担并让其处理更重要的任务。 智能网卡的萌发是由于CPU算力相对网络传输速率差距持续扩大 01 智能网卡产线的萌生受到数通市场需求的强驱动，其将网络、存储、操作系统中 需要高性能的数据平面卸载到智能网卡以降低“数据中心税”，让CPU集中精力于客 户的应用程序；同时，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 加速的支持 智能网卡行业主要受到数通市场、电信市场和智能驾驶市场的强 驱动 02 中国网络芯片的传输速率落后国际巨头1-2代，停留在10Gbps。中国网络芯片时 延为5ms左右，与国际巨头NVIDIA和Boradcom的网络芯片时延高2-4ms。中国网 络芯片的传输速率落后国际巨头1-2代，停留在10Gbps。中国网络芯片时延为5ms 左右，与国际巨头NVIDIA和Boradcom的网络芯片时延高2-4ms。 中国智能网卡厂商硬件性能相比国际巨头差距较大 03 中国智能网卡行业 智能网卡萌发的主要原因为CPU算力相对网络传输速率 的差距持续扩大，激发网络侧专用计算需求，且智能网 卡可搭载多元化功能如虚拟交换、存储、数据、网络加 密等。智能网卡的主要应用场景为数通市场、电信市场 和未来的智能驾驶市场。5G、云计算、人工智能和物联 网的的应用通用驱动着智能网卡的发展。目前智能网卡 的核心技术均掌握在国际巨头企业手中，中国本土企业 起步相对较晚。 摘要5 2021 LeadLeo 名词解释 - 09 智能网卡行业综述 - 10 智能网卡的萌发及其作用 - 11 智能网卡主流产品形态及其核心处理器 - 12 全球新增市场规模及预测 - 13 中国新增市场规模及预测 - 14 智能网卡行业产业链 - 15 产业链图谱 - 16 产业链上游 - 17 产业链下游 - 19 智能网卡行业驱动因素 - 20 数通市场 - 21 通用服务器 - 24 电信市场 - 25 智能驾驶市场 - 26 智能网卡行业壁垒 - 27 技术壁垒 - 28 渠道壁垒 - 29 智能网卡企业介绍 - 30 英伟达(NVIDIA) NVDA.O - 31 英特尔(INTEL) INTC.O - 33 博通(BROADCOM) AVGO.O - 35 方法论 - 37 法律说明 - 38 目录 CONTENTS6 2021 LeadLeo Terms - 09 Overview of the SmartNic Industry - 10 The emergence and function of the SmartNic - 11 Mainstream product form of SmartNic and its core processor - 12 Global new market size and forecast - 13 China new market size and forecast - 14 SmartNic Industry Chain - 15 Industry chain map - 16 Upstream of the industrial chain - 17 Downstream of the industrial chain - 19 Drivers of the SmartNic Industry - 20 Data Communication Market - 21 Universal server - 24 Telecom market - 25 Intelligent driving market - 26 SmartNic Industry Barriers - 27 Technical barriers - 28 Channel barriers - 29 SmartNic Enterprise Introduction - 30 NVIDIA NVDA.O - 31 INTEL INTC.O - 33 BROADCOM AVGO.O - 35 Methodology - 37 Legal Statement - 38 目录 CONTENTS7 2021 LeadLeo 图表1： CPU主频算力相对网络数据传输速率升级的差距 - 11 图表2：智能网卡工作原理 - 11 图表3：基于不同核心处理器的智能网卡类别及其特点 - 12 图表4：全球智能网卡新增市场规模及预测，2020-2025年 - 13 图表5：中国智能网卡新增市场规模及预测，2020-2025年 - 14 图表6：产业链图谱 - 16 图表7：FPGA芯片设计流程 - 17 图表8：EDA软件全球市场份额 - 17 图表9：集成电路制造工艺流程 - 18 图表10：2020Q3全球封测厂商市占率 - 18 图表11：智能网卡应用场景 - 19 图表12：数据中心应用需求 - 21 图表13：“数据中心税”拆解 - 22 图表14：智能网卡协议处理 - 23 图表15：智能网卡卸载OVS前后转发率对比 - 23 图表16：全球通用服务器出货量及预测，2020-2025年 - 24 图表17：中国通用服务器出货量及预测，2020-2025年 - 24 图表18：MEC加速需求场景 - 25 图表19：自动驾驶等级标准 - 26 图表20：智能驾驶端到端业务时延 - 26 图表21：智能网卡硬件壁垒 - 28 图表22：智能网卡软件壁垒 - 28 图表目录 List of Figures and Tables8 2021 LeadLeo 图表23：处理器芯片渠道壁垒 - 29 图表24：英伟达智能网卡产品 - 31 图表25：英伟达主营与扣非归母净利润 - 31 图表25：英伟达财务指标 - 31 图表26：英伟达主营构成 - 32 图表27：英伟达毛利率、净利率和成本率 - 32 图表28：英特尔智能网卡产品 - 33 图表29：英特尔主营与扣非归母净利润 - 33 图表30：英特尔财务指标 - 33 图表31：英特尔主营构成变化 - 34 图表32：英特尔毛利率、净利率和成本率 - 34 图表33：英伟达与英特尔智能网卡产品对比 - 34 图表34：博通智能网卡产品 - 35 图表35：博通主营与扣非归母净利润 - 35 图表36：博通财务指标 - 35 图表37：博通主营构成变化 - 36 图表38：博通毛利率、净利率和成本率 - 36 图表39：英伟达与博通智能网卡产品对比 - 36 图表目录 List of Figures and Tables2021 LeadLeo 9 SmartNic：即智能网卡，其核心是通过FPGA(现场可编程门阵列)协助CPU处理网络负载，编程网络接口功能 摩尔时代：摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月 便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。 FPGA：FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 （ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 ASIC：ASIC芯片是用于供专门应用的集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit)芯片技术，在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。 EDA：电子设计自动化（英语：Electronic design automation，缩写：EDA）是指利用计算机辅助设计（CAD）软件，来完成超大规模集成电路（VLSI）芯片的功能设计、 综合、验证、物理设计（包括布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的设计方式。 VxLAN：是一种网络虚拟化技术，可以改进大型云计算在部署时的扩展问题，是对VLAN的一种扩展。VXLAN是一种功能强大的工具，可以穿透三层网络对二层进行扩展。 它可通过封装流量并将其扩展到第三层网关，以此来解决VMS（虚拟内存系统）的可移植性限制，使其可以访问在外部IP子网上的服务器。 OVS： Openvswitch是一个虚拟交换软件，主要用于虚拟机VM环境，作为一个虚拟交换机，支持Xen/XenServer，KVM以及virtualBox多种虚拟化技术。在这种虚拟化的 环境中，一个虚拟交换机主要有两个作用：传递虚拟机之间的流量，以及实现虚拟机和外界网络的通信。 Infiniband：直译为“无限带宽”技术，缩写为IB，是一个用于高性能计算的计算机网络通信标准，它具有极高的吞吐量和极低的延迟，用于计算机与计算机之间的数据互 连。InfiniBand也用作服务器与存储系统之间的直接或交换互连，以及存储系统之间的互连。 NFVI：网络功能虚拟化基础设施解决方案，是用来托管和连接虚拟功能的一组资源。具体来说就是，NFVI是一种包含服务器、虚拟化管理程序（hypervisor）、操作系 统、虚机、虚拟交换机和网络资源的云数据中心。 VNF：虚拟网络功能，其被看作是NFV的关键。VNF在基础设施层提供的服务是NFV的主要运营目标，这意味着前者左右着网络虚拟化的前景。 UPF：User Plane Function，用户面功能，为 5GC 的基本组成部分。 MEC：边缘计算技术（Mobile Edge Computing）是ICT融合的产物，同时成为支撑运营商进行5G网络转型的关键技术，以满足高清视频、VR/AR、工业互联网、车联网 等业务发展需求。 名词解释10 2021 LeadLeo 行业综述 第一章节：智能网卡行业综述 Industry Overview 产业链 驱动因素 企业介绍 行业壁垒11 2021 LeadLeo 来源：头豹研究院编辑整理 智能网卡行业综述智能网卡的萌发及其作用 智能网卡萌发的主要原因为CPU算力相对网络传输速率的差距持续扩大，激发网络侧专用计算需求，且智能网 卡可搭载多元化功能如虚拟交换、存储、数据、网络加密等 CPU主频算力相对网络数据传输速率升级的差距 CPU算力增长速度与数据中心网络传输速率增长速度差距逐渐拉大，催生了智能网 卡的需求。后摩尔时代下，CPU算力无法按照摩尔定律增长，提升遭遇瓶颈，而数 据中心网络向高带宽和新型传输体系发展，其网络传输速率迈向100Gbps，且未 来快速向200Gbps与400Gbps发展。 单位：数据传输速率Gbps CPU主频算力GHz 智能网卡工作原理 智能网卡作用为灵活卸载CPU不适合的处理任务，满足数据平面网络处理 需求并兼容现有网络协议生态。其核心作用在于减轻CPU算力负担并让其 处理更重要的任务。而传统的网卡仅负责数据链路的传输、网络堆栈算法 和协议，其他如存储、网络加解密和安全等功能会占用大量CPU资源。 0 20 40 60 80 100 2015 2019 2022 2025 100Gbps 10Gbps 25Gbps 2025年算力差距 或60Gbps Core Core Core Core Core Core Core Core Core Core Core Core 安全 网络 传输 存储 X86 CPU 网络 存储 安全 智能网卡12 2021 LeadLeo 智能网卡理论上可基于FPGA、MP与ASIC三类核心处理器进行设计，而已商用的智能网卡产品形态为 “ASIC+GP”和“NP+GP” 智能网卡行业综述智能网卡主流产品形态及其核心处理器 基于不同核心处理器的智能网卡类别及其特点 基于ASIC设计的 智能网卡 基于ASIC设计的智能网卡门槛较高， 研发周期也较长，需要两年左右的开 发周期。中等复杂度的ASIC前期研发 成本在几百到两千万美元不等。 基于FPGA设计的 智能网卡 基于FPGA设计的智能网卡可提供强大 的计算能力和足够的灵活性。由于数 据通路定制化的特性，FPGA可同时利 用流水线并行、数据并行和请求并行 来降低延迟并提高吞吐量。 基于MP设计的 智能网卡 MP即Multi-core，包含SoC-GP和SoC- NP。目前，被NVIDIA收购的Mellanox 的BlueField系列采用的是“ASIC+GP”的 智能网卡，即保证了一定的可编程性 又保障了一定的性能。 架构特性 具有较高性价比。在预定义范围内对 数据平面进行编程处理，并提供有限 范围内的硬件加速支持，如批量使用 等。 具有低延迟。FPGA相较于CPU和GPU 等基于指令集的处理器在流式计算上 具有延迟优势； 具有低功耗。FPGA相较于ASIC和MP 处理器功耗减少约50%。 具有高可编程性。SoC-GP和SoC-NP 相较于FPGA有着较高的可编程性。 架构优势 具有低可编程性。在成熟的场景下专用硬件ASIC 能发挥算力优势，但在新应用场景下缺乏灵活的 可编程性。从确定需求到芯片到货之间时间跨度 较长，期间需求持续变化，使得专用芯片已经落 后于新的软件需求。 具有高复杂性。FPGA需使用VHDL和Verilog的硬 件描述语言进行编程，其语言的抽象层次较低， 编程较为复杂。 开源生态不完善。FPGA开发者往往需从第三方厂 商购买通用IP核，其购买和开发成本十分高昂。 性能较弱。 SoC-GP和SoC-NP相较于FPGA性 能表现较差。 架构劣势 来源：头豹研究院编辑整理13 2021 LeadLeo 全球智能网卡新增市场规模及预测，2020-2025年 高网络密度及高算法密度催生智能网卡需求，叠加通用服务器 出货量稳定增长，全球智能网卡新增市场规模未来将达到135.7 亿美元：2020年全球通用服务器新增出货量为1,210万台，同比 增长3.1%，预计未来增长率维持在3%左右。其中以互联网企业 和云计算厂商为代表的数通市场和电信市场服务器占比超过一 半，其均有着较高的计算密度和网络密度需求。在拥有大规模 服务器的数通和电信厂商中，数据中心带宽2-3年迭代一次，且 服务器在网周期为5-7年，若基于双备份的原则下每台服务器配 2块智能网卡，则每年智能网卡市场有着可观的新增市场规模。 同时，智能驾驶汽车由L2级逐步升级至L3级，L4级也将在未来 得以落地，届时每台智能驾驶汽车可看作一个小型数据中心并 配备至少1块智能网卡。 互联网+云计算大厂为智能网卡带来可观新增市场空间，中、小 厂商服务器未来3-5年较难普及：并非所有厂商都会配套智能网 卡在其服务器上。是否配备智能网卡主要考虑两点：一是否有 很高的计算密度和网络密度需求将其从CPU卸载到智能网卡上 来，密度需求不够的情况下，其功能卸载所带来的的收益将不 足以支撑研发、网络改造的成本。通常情况下，拥有30-50万台 服务器的厂家建议使用智能网卡方案，拥有10万台以上服务器 的厂家可以考虑逐步向智能网卡方案切换，而只拥有几万台服 务器的厂家使用智能网卡是不明智之举。二是若使用智能网卡 则需考虑技术方案的适用性，不同智能网卡厂家方案差异较大。 单位：亿美元 全球智能网卡新增市场规模（按营收计） 年复合增长率 2020-2025年 35.7% 全球智能网卡行业未来五年新增市场规模逐步攀升，主要得益于智能网卡方案的逐步成熟，叠加全球通用服务 器出货量的稳定增长以及L3级别智能驾驶汽车的技术落地 智能网卡行业综述全球新增市场规模及预测 来源：头豹研究院编辑整理 29.5 36.1 43.7 82.1 108.3 135.7 22.4% 21.2% 87.7% 32.0% 25.3% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 2020 2021预测 2022预测 2023预测 2024预测 2025预测 新增市场规模 新增同比 ec11b95f4e914 2021 LeadLeo 中国智能网卡未来增长点主要来自2023-2025年服务器改造以 及各种移动应用、公有云、私有云带来的新的计算、存储需求： 在考虑服务器存量改造及增量换新的情况下，中国智能网卡市 场规模预计在2025年达到37.4亿美元。通常数据中心服务器的 在网周期为5-7年，中国将在2023-2025年进入下一轮服务器设 备更换周期，此次换新将带来大量的存量市场规模。另一方面， 近五年各种应用普及率逐年攀升，包括移动应用、公有云、私 有云Paas层应用，以及以抖音为代表的视频、娱乐媒体应用， 随之而来的新的计算、存储和安全需求将为中国智能网卡市场 带来新的增量市场规模。预计2023-2025年每年新增通用服务器 数量大约在300-400万台。 中国智能网卡市场未来或得益于大规模服务器改造及换新，但 同时受限于中国与北美厂商智能网卡技术差距较大以及技术方 案差异化带来的普及难点：中国服务器的存量改造与增量换新 将伴随着庞大的智能网卡市场规模增长，但其中仍存在诸多制 约因素。中国互联网+云计算厂商更偏好采用中国自研的智能网 卡产品，而非北美厂商如Intel、NVIDIA、Broadcom等，但中国 厂商在技术上与北美厂商存在较大差距，且中国厂商缺乏商用 经验，其产品大多停留在实验室阶段，量产存在困难。同时， 不同厂家技术方案差异化巨大，导致服务器升级改造时易出现 硬件不兼容的情况。 中国智能网卡市场规模（按营收计） 年复合增长率 2020-2025年 55.51% 4.1 5.2 11.1 34.0 30.7 37.4 26.5% 112.4% 207.9% -9.7% 21.7% -50% 0% 50% 100% 150% 200% 250% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 2020 2021预测 2022预测 2023预测 2024预测 2025预测 中国智能网卡行业在2023-2025年迎来高速增长，主要得益于新一轮服务器在网更新周期及各类云应用普及率 的提升 智能网卡行业综述中国新增市场规模及预测 中国智能网卡新增市场规模及预测，2020-2025年 单位：亿美元 来源：头豹研究院编辑整理15 2021 LeadLeo 行业综述 第二章节：智能网卡行业产业链 Industry Chain Analysis 产业链 驱动因素 企业介绍 行业壁垒16 2021 LeadLeo 来源：头豹研究院编辑整理 智能网卡产业链为从上游软件侧EDA、IP核、硬件侧的制造和封装到中游智能网卡的集成和供应，再到下游云 计算、通信和智能驾驶领域的应用 全球与中国智能网卡产业链产业链图谱 智能网卡产业链图谱 上 游 上 游 中 游 中 游 下 游 下 游 EDA EDA工具软件可分为芯 片设计辅助软件、可编 程芯片辅助设计软件、 系统设计辅助软件等。 Synopsys 、 Cadence 、 Mentors约占全球EDA 市场份额的80%，占中 国市场份额的90%。 全球智能网卡供应商 数 通 领 域 IP核将一些在数字电路 中常用但较为复杂的功 能块设计成可修改参数 的模块，主要有三种存 在形式：HDL语言形式， 网表形式和版图形式。 ARM占全球IP核市场份 额的40.8%。 IP核 制造和封测厂商为智 能网卡产品供应商提 供底层芯片，包括 FPGA、ASIC等。 智能网卡基于底层处 理器之上开发计算、 传输、存储和安全等 功能。 制造/ 封测 中国本土初创智能网卡供应商 未来智能驾驶汽车可作为一个小 型数据中心，并伴有大量数据的 计算、转发和存储。未来每辆智 能驾驶汽车终端有望配备至少一 片智能网卡。 电 信 领 域 智 能 驾 驶 领 域 全球及中国本土智能网卡 供应商多以FPGA和SoC为 基础进行产品研发17 2021 LeadLeo 来源：头豹研究院编辑整理 智能网卡上游EDA软件主要应用在可编程逻辑芯片设计中，其市场已在全球范围内形成较为成熟的竞争格局， EDA三巨头通过兼并收购持续扩大规模并占据全球80%市场份额 全球与中国智能网卡产业链产业链上游（1/2） FPGA芯片设计流程 设计准备 设计输入 功能仿 真 成功 逻辑综合 布局布线 时序仿真 成功 编程下载 硬件测试 False False HDL代码 芯片设 计文件 仿真文件 网表 文 件 设计输入 编辑器 仿真器 综合器 适配器 仿真器 编辑器 EDA软件主要应用在可编程的逻辑芯片设计中，如FPGA芯片的设计。其设计流程 主要为7个步骤，分别为设计准备、设计输入、功能仿真、逻辑综合、布局布线、 时序仿真、编程下载与硬件测试。 整个芯片设计流程需要用到的EDA工具有设计输入编辑器、仿真器、HDL综合器、 适配器和编辑器。整个过程需要不停低迭代，直到通过功能仿真和时序仿真验证。 EDA软件全球市场份额 Ansys Silvaco 华大九天 EDA软件行业在全球范围内已形成成熟的竞争格局，三大EDA巨头Synopsys、 Cadence和Mentor占据全球80%的市场份额。三大EDA巨头总体在逻辑综合工 具、时序分析工具、模拟/混合信号定制化电路、版图设计、布局布线工具相较 于其他EDA软件开发商有着绝对的优势。 中国本土EDA厂商较国际EDA巨头有着较大差距，且美国已对中国部分企业施 加EDA进口限制，中国本土EDA厂商可通过整合资源和定制化产品路线加快发 展进程。 80% 2018 2021 LeadLeo 来源：头豹研究院编辑整理 智能网卡上游封测环节为集成电路制造的后道工序，对提升智能网卡芯片的稳定性及制造水平尤为关键。未来 高端集成电路国产化替代空间大，中国本土封测厂商市占率有望提升 全球与中国智能网卡产业链产业链上游（2/2） 集成电路制造工艺流程 封测为IC制造的后道工序，分为封装和测试，是提高IC稳定性及制造水平的关键工 序。封装环节是将引线框架上的集成电路焊盘与引脚相连接以达到稳定驱动集成电 路的目的，并用塑封料保护集成电路免受外部环境损伤； 广义半导体测试工艺贯穿IC设计、制造、封测三大过程，包括验证设计、晶圆检测 （CP）和封测环节中的成品检测（FT）。 2020Q3全球封测厂商市占率 2020年第三季度国际封测龙头厂商日月光集团、艾克尔（Amkor）、矽品 （SPIL）和力成（PTI）总体全球市占率占比超过65%，而中国三大封测龙头企 业长电科技、通富微电和华天科技全球市占率占比达到约26%。 中国本土封测厂商通过并购海外优质标的获得先进封装技术，大幅提升封测技 术实力和全球竞争力，未来中国本土封测厂商市占率有望逐步提升。 芯片设计 晶圆制造 封装测试 逻辑电路 电路设计 图像设计 验证设计 光罩制作、护膜 切片 研磨 氧化 光罩校准 蚀刻 扩散 离子植入 化学气相沉积 电机金属煮蒸 晶圆检测（CP） 切割 装片 焊线 塑封 盖印 切筋成型 成品测试（FT） 65% 26% 9% 国际封测龙头企业 中国封测龙头企业19 2021 LeadLeo 来源：头豹研究院编辑整理 数通领域为智能网卡最大应用市场，其可为数通领域内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 全球与中国智能网卡产业链产业链下游 智能网卡应用场景 电信领域 电信领域 数通领域 数通领域 功能实现 应用场景 数据面 控制面 数据加密 数据解密 云安全 加密解密算法 实现 维护密钥 数据分组检测 防火墙/ 安全组 数据分组解析/ 帧头修改 规则下放 存储 云存储 NVMe实现 连接配置 RAID配置 数据分组查表 虚拟路由 虚拟交换机 数据分组寻路 定义转发规则 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 中国数通领域内云计算厂商对智能网卡的关注点： 计算速率：25Gbps40Gbps 可靠性：大于99.99% 灵活性：满足最低灵活性 数据中心带宽2-3年迭 代一次，因此智能网 卡需满足支持用户数 据中心带宽升级的需 求。 中国电信领域内，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 提供硬件加速的支持。 边缘端机房供电成本高，散热 能力和承重能力有限 数据中心改造余地小，成本高， 后摩尔时代CPU算力增长有限 解决途径 边缘机房配套智能网卡 硬件加速，提升机房单 位面积算力20 2021 LeadLeo 行业综述 第三章节：智能网卡行业驱动因素 Industry Drivers Analysis 产业链 驱动因素 企业介绍 行业壁垒21 2021 LeadLeo 数据中心应用需求 互联网服务 应用需求 大数据、人工 智能应用需求 通用处理器 性能提升缓慢 数据中心 云应用需求 资源虚拟化趋势 分布式计算趋势 定制化计算趋势 细粒度计算趋势 虚拟网络 网络功能 操作系统 数据处理 数据中心税 智能网卡 卸载 产生 数据中心是进行大规模计算、海量数据存 储和提供互联网服务的基础设施。近年来， 人工智能和大数据的兴起对算力的要求激 增，然而，在后摩尔定律时代，CPU算力 增长放缓，需要新的体系结构以增强其算 力、网络传输等方面的性能。同时，相比 数据中心，云数据中心的应用类型和用户 交互方式更丰富，硬件更加定制化。资源 虚拟化、分布式计算、定制化计算和细粒 度计算是云数据中心的四大趋势。 在四大趋势下，从虚拟网络、网络功能、 操作系统和数据处理四个方面产生的除用 户应用程序外的“数据中心税”不仅浪费了 CPU资源，还导致应用程序无法充分利用 硬件的低延迟和高吞吐量。将虚拟网络、 网络功能、操作系统和数据处理等功能卸 载至智能网卡上进行处理，对现代数据中 心的性能和成本有重要意义。 分析师观点 智能网卡产线的萌生受到数通市场需求的强驱动，其将网络、存储、操作系统中需要高性能的数据平面卸载到 智能网卡以降低“数据中心税”，让CPU集中精力于客户的应用程序 中国智能网卡驱动因素分析数通市场（1/3） 来源：头豹研究院编辑整理22 2021 LeadLeo “数据中心税”拆解 基于虚拟交换机的网络虚拟化模型 中，虚拟机发送和接收的每个数据 包都需要由虚拟交换机（vSwitch） 处理，与非虚拟化环境相比，这种 额外的主机处理会降低性能和吞吐 量，增加平均延迟，并增加CPU的 使用率。 虽然软件实现的虚拟交换机和网络 功能可以使用更多数量的CPU核来 支持更高的性能，但这会加大资产 和运营成本。 对于分布式应用程序普遍使用操作 系统中的套接字原语进行通信，而 对于HTTP负载均衡器、DNS服务器、 Redis键-值存储服务器等通信密集 型的应用程序，操作系统占用了50 至90的CPU时间，大部分用来 处理套接字操作。 数据中心税 分析师观点 数据中心税 虚拟网络 虚拟交换机接收、处理和发送数据包 操作系统 键值操作 网络功能 防火墙、网关、入侵检测、负载均衡、域名服务等 数据结构处理 资源虚拟化 进程间通信 高层次虚拟化 系统中多个进程共 享计算、网络、存 储资源 包括消息传递、共 享内存、共享信号 量等同步原语 把硬件资源抽象成顺序 读写的套接字连接，存 储被抽象成文件系统 传统基于软件的内存数据结构存储系统在客户端(计算 节点)和服务器端(存储节点)都需要通过操作系统内核 访问网络，还需要通过软件处理共享数据结构的并发 访问，带来一系列开销。 数据结构处理中，键值存储通常基于哈希表实现，高性能键值存储系统的 吞吐量瓶颈可归因为键值操作中的计算和随机存储器访问中的延迟。基于 CPU的键值存储需花费CPU周期来进行键比较和哈希槽计算，KV-Direct可 将键值处理从CPU移动到智能网卡上进行。 数据中心分布式计算催生了高性能数据中心网络，而虚拟化、网络功能、操作系统和数据结构处理伴随着巨大 性能开销 中国智能网卡驱动因素分析数通市场（2/3） 来源：头豹研究院编辑整理23 2021 LeadLeo 智能网卡协议处理 分析师观点 云计算场景下的虚拟化技术需要靠软 件来实现Hypervisor，但伴随巨大的性 能开销。虚拟机和物理机仍存在较大 的性能差距，阿里云和亚马逊等云厂 商将虚拟化、网络、存储等相关组件 卸载到智能网卡上，从而消除虚拟化、 网络和存储组件带来的开销，提高虚 拟机的性能。 智能网卡卸载OVS方案之一是基于 Linux TC的虚拟交换机数据面卸载，该 方案可应用于内核态转发模式下，是 目前应用最广泛的卸载模式。基于 Linux TC作为卸载接口的硬件卸载场景， 在VxLAN和Non-VxLAN下开启智能网 卡卸载OVS功能之后，虚拟网络转发 性能大幅提升10倍以上。 智能网卡卸载OVS前后转发率对比 智能网卡协议处理 协议处理 网络协议 安全功能 Infiniband, RoCE v1/v2、 iWARP、 MPLS IDS、IPS 存储协议 NVMeoF,RDMA 智能网卡作为一种有编程能力的网卡，可以快速处理网络 协议，提供高效的网络I/O。传统的网卡仅支持标准以太网 或Infiniband中的一种网络协议，而智能网卡除了传统 TCP/IP协议，还支持RoCE v1/v2、iWARP等加速数据通路的 协议，进而从CPU上卸载更多网络协议处理到网卡上，在数 据中心中也能提供低延时、高带宽的网络服务。 VxLAN场景 Non-VxLAN场景 单位：Mpps 单位：Mpps 0 1 2 3 4 5 6 7 2 flows 20K flows 200K flows 未卸载 卸载 0 1 2 3 4 5 6 7 2 flows 20K flows 200K flows 未卸载 卸载 使用业界通用的PVP测试 方案对基于Linux TC作为 卸载接口的硬件卸载转 发速率进行测试和对比 关闭卸载开关，网络流量只 能通过内核转发至虚拟机， 转发率小于1Mpps，开启硬 件卸载，转发率大幅提升 数据中心低延时、高带宽的网络服务，以及虚拟网络转发性能提升的迫切需求驱动着智能网卡的发展，在网络 协议和硬件卸载等方面为CPU释放宝贵资源 中国智能网卡驱动因素分析数通市场（3/3） 来源：头豹研究院编辑整理24 2021 LeadLeo 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 全球与中国通用服务器出货量稳步上涨，预计中国在2023-2025年进入大规模服务器升级改造阶段，驱动着智 能网卡的配套及应用 中国智能网卡驱动因素分析通用服务器 全球通用服务器出货量及预测，2020-2025年 单位：万台 1,100 1,150 1,200 1,250 1,300 1,350 1,400 1,450 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E CAGR：2.9% 中国通用服务器出货量及预测，2020-2025年 单位：万台 CAGR：6.0% 2020年全球X86通用服务器出货量为1,210万台，预计到2025年增长至1396 万台，年复合增长率为2.9%。 未来通用服务器出货量将随着云计算、人工智能、物联网等技术的日益成熟 和普及而稳步增加。数据中心和服务器数量的增长，以及数据中心网络带宽 的迭代也驱动着智能网卡的应用和普及。 2020年中国X86通用服务器出货量约为305万台，预计在2025年增长至408 万台，年复合增长率为6.0%。 通用服务器在网周期为5-7年，而数据中心带宽2-3年迭代一次。预计中国 在2023-2025年进入服务器大规模更新换代阶段，届时将有大量的存量服务 器升级改造以及新增服务器的购入，这将驱动着智能网卡的配套和应用。 来源：头豹研究院编辑整理25 2021 LeadLeo MEC加速需求场景 分析师观点 5G技术要求网络实现“大容量、大带宽、大 联结、低延迟、低功耗”驱动了智能网卡在 边缘机房部署的可能。在当前网络架构中， 核心网部署在远端，传输时延较大，且无 法满足5G时代下数字化和智能化对算力的 高要求。 为了分担终端算力，将算力向云端移动， 同时为了降低时延，将业务向边缘移动。 MEC部署在网络边缘，可以减少数据传输 过程中的转发和处理时延，并降低终端成 本。但随着各种业务和应用汇聚在边缘端， 导致MEC边缘云的计算开销激增，而边缘 机房的供电、散热及承重能力有限，无法 通过堆加大量的X86 CPU来提升算力，且 CPU性能已无法按摩尔定律增长。此时，在 MEC边缘云上，可将消耗CPU资源高的业 务卸载至智能网卡上，释放边缘机房CPU的 算力，降低机房功耗，同时提升边缘业务 体验。 VNF层虚拟化 用户面加速 VNF层虚拟化 用户面加速 NFVI层OVS 加速 NFVI层OVS 加速 UPF APP APP MEP能力开放平台 轻量化云平台 5G核心网 专网业务 算力向云端移动以 降低成本 业务向边缘移动以 降低时延 算力汇聚到边缘云 MEC应用对基础设施性的低延时、高速率转发性能有很高 的要求。转发能力提升的关键为缓存，数据并行处理能力 提升的关键在