基于開放技術的可信多路高端計算系統的研究

王瑋 張紅娜 張小林

摘 要：我國高端計算系統產業化項目運作模式為堅持政府引導、企業主導、產業鏈打造，并強調市場化推進，以達到多方共贏。實現“協議引進、輔助掌握、替換重構和創新超越”的技術演進路徑，對其成功起著至關重要的作用。探索研究一種基于開放技術的可信多路高端計算系統已經迫在眉睫。

關鍵詞：技術路線；技術原理；通信

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A

0 前言

目前，中方企業正在組織消化吸收核心技術，并將與上下游產業鏈合作伙伴聯合推出在金融、電信、能源、交通、政府等行業的系統解決方案，共同打造可信開放的中國自主高端計算系統產業鏈。各方相關企業在業務拓展、行業協作、解決方案技術共享等方面加強合作，以建立更好的產業生態系統。

1 技術路線

本項目主要的研究內容包括：多路高端計算系統硬件關鍵技術研究；系統軟件和應用框架研究；結合第二代異構計算技術的高端計算系統定制化技術研究。整體框架結構是采用第二代異構計算架構CPU+FPGA，采用通用CPU 和Xilinx 20nm工藝的Xilinx Kintex UltraScale FPGA。Xilinx OpenCL軟件開發環境為SDAccel。

在CAPI體系下，CAPI加速器與CPU實現了對等訪問，共享虛擬地址，數據無須轉手，直接在加速器與應用之間進行溝通。在實際使用時也很簡單，CAPI加速卡可以安裝在任何提供PCIe3.0接口的OpenPOWER Linux服務器上。應用軟件只需要調用一個CAPI函數，即可直接利用CAPI加速，而在對Linux更新驅動后，即可直接調用原有IM/GM等兼容接口函數。用FPGA取代了原來的GPU，使能耗比大幅提高。

傳統的FPGA加速設計，均是以I/O總線與CPU平臺相連，在實際的應用中，對于應用開發者本身來說仍然有較大的難度。這次CAPI的出現，則從根本上解決了這個難題，從而讓FPGA的加速優勢得以獲得更充分的發揮。

應用XILINX Kintex UltraScale FPGA+CPU的架構加速，理論上最高實現8181 Gb/s數字信號處理速度，理論上最大傳輸帶寬30.5Gb/s。同時功耗相比較CPU + GPU架構也大大降低。體積方面也相應減小很多，不像GPU那樣體積很大。數據訪問效率大幅提升。

應用基于海量數據，需對海量數據進行處理的情況，如變換、分析、篩選等。

具有較大的系統規模，系統處理器規模、節點規模、存儲器規模較大；系統的空間占有、能源消耗直接影響系統的擁有成本。

具有較高綜合能力的計算機系統，高效能系統。它注重系統的實際應用效果，注重性價比和總體擁有成本；用于有挑戰性的應用領域，解決復雜問題；用于空間探索、生命科學、氣象模式、高能物理、理論化學等。

圖1為CAPI與FPGA加速功能圖，CPU+CAPI+FPGA實現大數據中深度學習算法通用加速平臺。數據分析是大數據的核心，海量的大數據經過數據采集處理后，通過數據抽取、轉換剔除、數據修正等處理，建立符合需要的正確、完整、一致、完備、有效的數據。數據分析的目的是對這些數據進行分析計算，獲取到有用的數據。數據分析的方法有很多，如：數據挖掘，機器學習，深度學習等。

FPGA 擅長處理需要大量數據密集型運算的任務，比如視覺模擬、超快數據庫事物、計算視覺和機器學習等任務。利用FPGA平臺對深度學習算法進行硬化實現，是實現深度學習算法加速處理的有效途徑。CPU和FPGA的通信采用CAPI接口。采用CAPI后，和原來CPU和FPGA通信采用PCIE 比較，FPGA看到的不再是PCIE空間了，所以就省去了映射地址這一環節。這樣加快了速度，減少了延遲。針對深度學習算法中以向量運算和矩陣運算為主要操作要素的特點。在對各類深度學習算法進行分析的基礎上，采用一種協處理器的體系結構，為深度學習算法建立一個通用的加速平臺。

2 技術原理

在CAPI體系下，CAPI加速器與CPU實現了對等訪問，共享虛擬地址，數據無須轉手，直接在加速器與應用之間進行溝通。在實際使用時也很簡單，CAPI加速卡可以安裝在任何提供PCIe3.0接口的OpenPOWER Linux服務器上。應用軟件只需要調用一個CAPI函數，即可直接利用CAPI加速，而在對Linux更新驅動后，即可直接調用原有IM/GM等兼容接口函數。

對系統的訪問進行嚴格的控制和檢查；同時確保網絡暢通和應用透明。首先采用國產的可信處理器設計的可信計算模塊，從而實現硬件層面的可信和安全。其次，融合多種安全處理技術，進一步提高設備的安全性和廣泛的適應性。通過以上措施的實施，可實現FPGA的運算能力的大幅提升； CAPI緩存和訪問的一致性；可對高性能帶寬接口的支持；可實現開放技術的規模在10萬億次的可信多路高端計算系統。對系統的訪問進行嚴格的控制和檢查；確保網絡暢通和應用透明。采用國產的可信處理器設計的可信計算模塊，實現硬件層面的可信和安全。融合多種安全處理技術，進一步提高設備的安全性和廣泛的適應性。

結語

本系統的設計是在政府引導、企業主導、產業鏈打造，并強調市場化推進，以達到多方共贏的前提下，運用上下游產業鏈合作伙伴聯合推出在金融、電信、能源、交通、政府等行業的系統解決方案，共同打造可信開放的中國自主高端計算系統產業鏈，具有一定的創新性。不僅能促進產業升級，而且能形成完整的產業鏈條，創造良好的經濟效益和社會效益，為高端計算領域保持領先優勢奠定堅實基礎。

參考文獻

[1]安寧鈺，王志皓，趙保華.可信計算技術在電力系統中的研究與應用[J].信息安全研究，2017（4）：353-358.

[2]雷濤.可信計算模式下P2P匿名通信系統設計[J].計算機測量與控制，2017（8）：268-271.