给CPU直接开挂！从OpenPOWER的CAPI+FPGA看第二代异构计算

OpenPOWER CAPI+FPGA应用实战

借助于OpenPOWER联盟，很多厂商都投入到了CAPI+FPGA的加速卡设计中，中国的恒扬科技（Semptian）即是其中之一，其最新推出的Semptian NSA-120是一款基于XILINX Kintex UltraScale FPGA的CAPI PCIe板卡，采用PCIE x8 Gen3 接口规格，支持两路DDR3 1600 SODIMM（容量为2x8GB），而首先投入的AFU，是针对大数据存储中常用的纠删码（Erasure Code）的编/解码加速。

纠删码是应对降低海量分布式存储占用空间的常用手段，相对于传统的3复本冗余的存储模式（相当于3x容量占用），纠删码冗余的存储容量只相当于原数据量的1.4x，降低了超过50%的存储空间需求，但在大规模数据读写过程中，纠删码的实时编/解码运算对于服务器CPU来说将是一个比较大的占用，在分布式应用架构中，这意味着将影响应用本身的性能

通过Semptian NSA-120的加速，获得了明显的纠删码的性能提升，如果再多加一块Semptian NSA-120（双CPU配置时最多可插4块），性能还会加倍提高

为了进一步方便ISV与AFU的开发者，恒扬科技专门提供了NPL（NSA Platform Layer），即FPGA基础平台，帮助AFU开发者硬件无感知的开发AFU算法单元

根据恒扬科技大数据采集与分析产品经理张军的介绍，目前FPGA的编程环境已经有了很大的改善，这其中OpenCL开发平台的发展起到了重要的推进作用。虽然现在仍然很初级，但对于传统的应用开发者来说，借助OpenCL开放的标准化平台，已经可以相对较为容易的上手，而在底层编程部分，仍然会通过FPGA厂商的专用工具进行HDL编译，再写入FPGA。此外，FPGA厂商也在像NVIDIA那样，提供自己的集成开发环境（IDE），它的作用相当于CUDA之于GPGPU，为开发者提供更完整的工具包，加速FPGA的编程。比如赛灵思的 SDAccel开发环境，就可为赛灵思的FPGA加速OpenCL、C和C++内核的开发与部署。相应的CAPI-FPGA加速卡厂商，也会提供底层平台，方便开发者基于自己的板卡进行AFU开发。比如恒扬科技就提供了NPL和相关的SDK，可以让开发者专心于AFU的算法实现。

另一个典型的CAPI加速实例则是外置存储加速，IBM基于CAPI控制卡+自己的FlashSystem全闪存阵列，提供了一套NoSQL数据引擎，由于CAPI将传统的PCIe控制卡的I/O开销省去，大大降低了系统延迟，成为KVS数据平台更好的选择。

IBM基于支持CAPI+全闪存阵列而推出NoSQL数据加速引擎，配套全闪存阵列可以通过CAPI加速卡直接访问应用内存空间，大大降低了数据传输的延迟，非常有利于单笔数据访问量少，但IO密集的键值存储（KVS，Key-Value Store）平台

通过与非CAPI控制卡连接的性能相对比，可以看出由于CAPI连接不是传统的I/O驱动模式，而近似于CPU直联，所以在IOPS性能与延迟性能上较传统的PCIe控制卡有明显的提升，不过如果是大数据块传输，CAPI控制卡在总带宽上可能会有一定劣势，但到下一代CAPI这将不再是问题