基于开放技术的可信多路高端计算系统的研究

王玮 张红娜 张小林

摘 要：我国高端计算系统产业化项目运作模式为坚持政府引导、企业主导、产业链打造，并强调市场化推进，以达到多方共赢。实现“协议引进、辅助掌握、替换重构和创新超越”的技术演进路径，对其成功起着至关重要的作用。探索研究一种基于开放技术的可信多路高端计算系统已经迫在眉睫。

关键词：技术路线；技术原理；通信

中图分类号：TP391 文献标志码：A

0 前言

目前，中方企业正在组织消化吸收核心技术，并将与上下游产业链合作伙伴联合推出在金融、电信、能源、交通、政府等行业的系统解决方案，共同打造可信开放的中国自主高端计算系统产业链。各方相关企业在业务拓展、行业协作、解决方案技术共享等方面加强合作，以建立更好的产业生态系统。

1 技术路线

本项目主要的研究内容包括：多路高端计算系统硬件关键技术研究；系统软件和应用框架研究；结合第二代异构计算技术的高端计算系统定制化技术研究。整体框架结构是采用第二代异构计算架构CPU+FPGA，采用通用CPU 和Xilinx 20nm工艺的Xilinx Kintex UltraScale FPGA。Xilinx OpenCL软件开发环境为SDAccel。

在CAPI体系下，CAPI加速器与CPU实现了对等访问，共享虚拟地址，数据无须转手，直接在加速器与应用之间进行沟通。在实际使用时也很简单，CAPI加速卡可以安装在任何提供PCIe3.0接口的OpenPOWER Linux服务器上。应用软件只需要调用一个CAPI函数，即可直接利用CAPI加速，而在对Linux更新驱动后，即可直接调用原有IM/GM等兼容接口函数。用FPGA取代了原来的GPU，使能耗比大幅提高。

传统的FPGA加速设计，均是以I/O总线与CPU平台相连，在实际的应用中，对于应用开发者本身来说仍然有较大的难度。这次CAPI的出现，则从根本上解决了这个难题，从而让FPGA的加速优势得以获得更充分的发挥。

应用XILINX Kintex UltraScale FPGA+CPU的架构加速，理論上最高实现8181 Gb/s数字信号处理速度，理论上最大传输带宽30.5Gb/s。同时功耗相比较CPU + GPU架构也大大降低。体积方面也相应减小很多，不像GPU那样体积很大。数据访问效率大幅提升。

应用基于海量数据，需对海量数据进行处理的情况，如变换、分析、筛选等。

具有较大的系统规模，系统处理器规模、节点规模、存储器规模较大；系统的空间占有、能源消耗直接影响系统的拥有成本。

具有较高综合能力的计算机系统，高效能系统。它注重系统的实际应用效果，注重性价比和总体拥有成本；用于有挑战性的应用领域，解决复杂问题；用于空间探索、生命科学、气象模式、高能物理、理论化学等。

图1为CAPI与FPGA加速功能图，CPU+CAPI+FPGA实现大数据中深度学习算法通用加速平台。数据分析是大数据的核心，海量的大数据经过数据采集处理后，通过数据抽取、转换剔除、数据修正等处理，建立符合需要的正确、完整、一致、完备、有效的数据。数据分析的目的是对这些数据进行分析计算，获取到有用的数据。数据分析的方法有很多，如：数据挖掘，机器学习，深度学习等。

FPGA 擅长处理需要大量数据密集型运算的任务，比如视觉模拟、超快数据库事物、计算视觉和机器学习等任务。利用FPGA平台对深度学习算法进行硬化实现，是实现深度学习算法加速处理的有效途径。CPU和FPGA的通信采用CAPI接口。采用CAPI后，和原来CPU和FPGA通信采用PCIE 比较，FPGA看到的不再是PCIE空间了，所以就省去了映射地址这一环节。这样加快了速度，减少了延迟。针对深度学习算法中以向量运算和矩阵运算为主要操作要素的特点。在对各类深度学习算法进行分析的基础上，采用一种协处理器的体系结构，为深度学习算法建立一个通用的加速平台。

2 技术原理

在CAPI体系下，CAPI加速器与CPU实现了对等访问，共享虚拟地址，数据无须转手，直接在加速器与应用之间进行沟通。在实际使用时也很简单，CAPI加速卡可以安装在任何提供PCIe3.0接口的OpenPOWER Linux服务器上。应用软件只需要调用一个CAPI函数，即可直接利用CAPI加速，而在对Linux更新驱动后，即可直接调用原有IM/GM等兼容接口函数。

对系统的访问进行严格的控制和检查；同时确保网络畅通和应用透明。首先采用国产的可信处理器设计的可信计算模块，从而实现硬件层面的可信和安全。其次，融合多种安全处理技术，进一步提高设备的安全性和广泛的适应性。通过以上措施的实施，可实现FPGA的运算能力的大幅提升； CAPI缓存和访问的一致性；可对高性能带宽接口的支持；可实现开放技术的规模在10万亿次的可信多路高端计算系统。对系统的访问进行严格的控制和检查；确保网络畅通和应用透明。采用国产的可信处理器设计的可信计算模块，实现硬件层面的可信和安全。融合多种安全处理技术，进一步提高设备的安全性和广泛的适应性。

结语

本系统的设计是在政府引导、企业主导、产业链打造，并强调市场化推进，以达到多方共赢的前提下，运用上下游产业链合作伙伴联合推出在金融、电信、能源、交通、政府等行业的系统解决方案，共同打造可信开放的中国自主高端计算系统产业链，具有一定的创新性。不仅能促进产业升级，而且能形成完整的产业链条，创造良好的经济效益和社会效益，为高端计算领域保持领先优势奠定坚实基础。

参考文献

[1]安宁钰，王志皓，赵保华.可信计算技术在电力系统中的研究与应用[J].信息安全研究，2017（4）：353-358.

[2]雷涛.可信计算模式下P2P匿名通信系统设计[J].计算机测量与控制，2017（8）：268-271.