OpenPOWER+CAPI實(shí)現第二代分布計算

摘要：本文介紹了CAPI技術(shù)，并給出基于CAPI應用的三個(gè)案例。

1 向第二代分布計算演進(jìn)

　　最早的時(shí)候計算機系統單任務(wù)的，隨著(zhù)數據量的增加，單計算任務(wù)的處理能力已不足以滿(mǎn)足人們日益增長(cháng)的需求，所以計算機系統逐漸演進(jìn)到多任務(wù)的計算環(huán)境，同時(shí)有多個(gè)CPU運行(圖1)，這就產(chǎn)生一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)內存中的數據，數據的一致性是要急需解決的問(wèn)題。那么什么是數據一致性的問(wèn)題呢?當一個(gè)CPU對一個(gè)數據進(jìn)行操作之后，另外一個(gè)CPU需要拿到正確的數據。

　　在系統里面，電腦是用硬件來(lái)保證數據一致性，同時(shí)保證另外一個(gè)線(xiàn)程在讀取數據的時(shí)候能讀取到正確的數據。如圖2所示，圖2中有6個(gè)CPU核，每個(gè)CPU核都有自己的緩存，他們共享了一個(gè)更大的主存。圖2展示第一個(gè)POWER上面的嶄新的應用，要對地址為1000的應用進(jìn)行操作。第一個(gè)應用會(huì )把這個(gè)地址為1000的數據從主存里面讀到自己的緩存上面，并且對它進(jìn)行修改，比如把它修改成綠色，有另外一個(gè)應用跑在了第三個(gè)CPU核上面，它也是讀取地址為1000的數據，應該期望的是它讀到的是綠色的數據而不是原來(lái)白色的數據。同樣第三個(gè)核上的應用會(huì )把這個(gè)數據進(jìn)行改寫(xiě)，比如改寫(xiě)成紅色，這時(shí)候如果還有另外一個(gè)應用跑在了第四個(gè)第五個(gè)核上面的應用，它也會(huì )去讀取這個(gè)數據，也應該期望它能夠讀到紅色的數據，這背后都是由一個(gè)內存通知器硬件來(lái)幫軟件完成這些數據的一致性，保證它們讀到的數據都是最新的數據。當計算機系統從一個(gè)單CPU系統進(jìn)化到多CPU系統的時(shí)候，它的性能功耗比其實(shí)是在下降的，所以現在可以用這樣的系統處理更多的數據，比如在線(xiàn)交易業(yè)務(wù)、企業(yè)ERT業(yè)務(wù)、數據庫業(yè)務(wù)等。

　　隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的普及，數據量比以往更多。對于系統來(lái)說(shuō)需要更強的硬件計算能力，來(lái)處理更多的數據。常見(jiàn)的解決方案是在CPU核上，開(kāi)辟更多個(gè)硬件的線(xiàn)程，用這些線(xiàn)程來(lái)提高其處理能力，來(lái)幫助它對I/O端口過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行更好的處理，同時(shí)加入了GPU和FPGA，使用這些硬件來(lái)幫助系統處理數據(圖3)。但是傳統上GPU和FPGA都是以I/O設備的形式掛載在這個(gè)系統上面，為了使用I/O設備，需要提高技能，如編程人員需要學(xué)習硬件知識，需要懂得內核的人為I/O設備進(jìn)行驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)，同時(shí)由于它們是I/O設備，沒(méi)有和CPU共享內存，所以需要內核代碼幫助他們做數據傳輸。擺在面前的另外一個(gè)難題就是半導體技術(shù)的性?xún)r(jià)比不再持續增長(cháng)，現在已經(jīng)到了一個(gè)拐點(diǎn)，不能依賴(lài)于半導體技術(shù)的增長(cháng)使系統更快更強，需要從硬件還有固件、操作系統、設備應用等多角度考慮，尋求一個(gè)更好的解決方案。

　　為了解決這種需求，現在引入FPGA使用CAPI(相干加速器處理器接口)接入系統更快更好地處理數據。隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這樣數據會(huì )比以往更多，所以我們需要硬件來(lái)幫助系統處理數據。當然整個(gè)系統不是IBM提供的封閉系統，雖然IBM也有一個(gè)192線(xiàn)程的機器，再加上FPGA的板卡，但是IBM沒(méi)有提供這樣一個(gè)封閉系統，相反IBM會(huì )有更多的合作伙伴，比如中太數據的服務(wù)器、NVIDIA的GPU、賽靈思的FPGA芯片、恒揚的FPGA板卡解決方案，還有Ubuntu的操作系統解決方案、三星提供的存儲解決方案。以一個(gè)合作伙伴的形式，向更多的企業(yè)提供應用，提供服務(wù)。

　　CAPI可以使FPGA連接到系統上面(如圖4)，通過(guò)在FPGA上面內嵌了一點(diǎn)處理邏輯，使FPGA上面的硬件可以和CPU線(xiàn)程共同共享一段虛擬的地址空間，在CPU上的線(xiàn)程會(huì )產(chǎn)生數據，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生一個(gè)任務(wù)隊列，隊列可以定義指導FPGA上面硬件如何對數據進(jìn)行操作。在新一代的系統里面，允許FPGA硬件和CPU上面軟件共享虛擬的地址空間，并且它們的一致性是由硬件來(lái)進(jìn)行維護。通過(guò)一個(gè)調動(dòng)CPU上的軟件可以觸發(fā)IPA硬件去任務(wù)隊列里面獲取任務(wù)的描述，然后FPGA通過(guò)共享的存儲空間來(lái)讀取內存上面的數據，并產(chǎn)生結果，這些結果和數據都可以被CPU上軟件直接訪(fǎng)問(wèn)的。IBM已有系統是工作在這樣的模式。用CAPI技術(shù)不再需要面對之前麻煩，但是因為FPGA軟件員不需要再去了解具體的硬件是如何工作，FPGA工作在協(xié)處理器的模式共享內存。

　　圖5是一個(gè)OpenPOWER的機器，在紅色的兩個(gè)圈子里是兩個(gè)POWER8的處理器模塊，綠色的地方是可以插兩個(gè)CAPI板卡的地方。