云計算、萬物互聯(lián)、大數(shù)據(jù)分析，以及不斷涌現(xiàn)的人工智能等，對應(yīng)用負(fù)載提出了越來越高的期待，企業(yè)對于系統(tǒng)性能的要求自然也是水漲船高。

在傳統(tǒng)軌跡上，擠牙膏式地對處理器進行加強是多年來的不二法門。然而時過境遷，支撐處理器的摩爾定律已經(jīng)接近邊緣盡頭，在多元化且近幾何級的計算需求面前，應(yīng)用負(fù)載更需要進入全新的、系統(tǒng)級別的提升。

對異構(gòu)計算的探索跋涉就是一種對于計算性能瓶頸的突破。異構(gòu)計算是一種特殊形式的并行和分布式的計算，它通過引入GPU、ASIC、FPGA或其它加速器，配合CPU去執(zhí)行各自最擅長的任務(wù)，從而實現(xiàn)計算性能和成本的最優(yōu)化。

以異構(gòu)計算為基礎(chǔ)的計算系統(tǒng)能夠打破 CPU 和外圍設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，讓更多的硬件設(shè)備參與計算，如用專用硬件完成密集計算或者外設(shè)管理等，從而顯著提高系統(tǒng)性能。

作為異構(gòu)計算領(lǐng)域的開拓者，IBM這些年來也一直在探索更高帶寬、更低延遲的異構(gòu)計算接口，減少CPU和異構(gòu)核心之間的接口的傳輸能力對異構(gòu)計算性能優(yōu)勢的限制。

2013年，IBM推出第一代CAPI 1.0接口(Coherent Acceleration Processor Interface 1.0)，同時，為了加速OpenCAPI的應(yīng)用，IBM與幾家頂級的國際化公司(包括AMD、Google、IBM、Mellanox、Micron、Xilinx)建立了獨立的標(biāo)準(zhǔn)化組織OpenCAPI，在異構(gòu)計算的潮流中致力于推動高速硬件接口設(shè)計全面進入內(nèi)存一致性時代。如今第三代CAPI接口開放給更多的異構(gòu)計算開發(fā)者使用，名為OpenCAPI接口。

需要強調(diào)的是，雖然OpenCAPI首發(fā)于POWER9，但是它的設(shè)計特性并沒有綁定在POWER架構(gòu)上，完全可以嵌入到其他種類的處理器架構(gòu)之上。

OpenCAPI接口能夠有效地分擔(dān)CPU的負(fù)荷，為客戶提供一種可訂制、高效易用的硬件加速解決方案——這一原始定義非常樸素，但方寸之間，深不見底，它是新一代異構(gòu)計算的基礎(chǔ)設(shè)施。

從2018年開始，通過在中國舉辦OpenCAPI異構(gòu)計算大賽，IBM希望來自高校的理工學(xué)子能夠通過了解OpenPOWER和OpenCAPI進一步實踐異構(gòu)計算，在未來逐漸成長為科技創(chuàng)新的儲備軍和中堅力量。

2019年鳴鑼的OpenPOWER + OpenCAPI異構(gòu)計算設(shè)計大賽則是吸引了來自14所高校的21支隊伍。顯然，OpenPOWER + OpenCAPI的組合正在吸引更多的關(guān)注，新的生態(tài)逐漸孵育成熟，正在蓄勢待發(fā)。

OpenPOWER+OpenCAPI

李孝聰，西安交通大學(xué)在讀碩士。本次大賽中，他和他的隊友們順利闖過初賽，與其他9支隊伍共同殺入到復(fù)賽當(dāng)中。

作為一枚經(jīng)常參加各種校外比賽的“研究僧”，李孝聰表示，在大學(xué)里接觸異構(gòu)計算的場合并不是很多，此前基本上是通過閱讀論文、搜索資料這樣遠距離的學(xué)習(xí)來獲取理解，而大賽提供了多次與OpenPOWER+OpenCAPI“親密接觸”的機會，李孝聰和他的隊友們也得以與許多共同學(xué)習(xí)OpenCAPI技術(shù)的參賽團隊進行深入交流。

遠超李孝聰預(yù)期的是，主辦方為參賽隊伍提供了一對一的企業(yè)導(dǎo)師，導(dǎo)師們傳播知識、理解應(yīng)用場景，能為參賽方案提出優(yōu)化建議和點睛式的改進點撥，這是同類賽事其它主辦方難以提供的優(yōu)勢資源。

此外，主辦方還提供了服務(wù)器與板卡，參賽者不僅可以在理論上討論加速效果，更可以在服務(wù)器上實現(xiàn)加速效果，親自感受OpenCAPI異構(gòu)計算的巨大威力。在接下來的時間里，李孝聰希望進一步改進方案，完成最終的設(shè)計。

李孝聰團隊的方案主要是圍繞密碼學(xué)的算法。由于計算量非常大，算法也比較復(fù)雜、串行度大，因此團隊的設(shè)計初衷就是利用FPGA(Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)，更靈活地設(shè)計邏輯電路，賦予它更強大的加速能力。

相較而言，他的感受是，OpenCAPI有著非常領(lǐng)先的前瞻性和技術(shù)水準(zhǔn)。譬如AES、SM3等算法，它們在計算速度上沒有什么問題，但是對帶寬要求非常高，一般的系統(tǒng)上是很難實現(xiàn)的。而OpenCAPI則是優(yōu)勢明顯，第三代協(xié)議的OpenCAPI已經(jīng)能夠提供25GB/s的接口速度。

李孝聰表示，在不占用資源的情況下，團隊會盡可能使用OpenCAPI的接口帶寬，并根據(jù)FPGA的資源情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整一下它的流水線級數(shù)，保證更好的工作效率。

在高帶寬之外，OpenCAPI還具有低延時的特性，能夠為數(shù)據(jù)從FPGA端傳送到CPU端或是反向傳輸，提供極好的支撐。

以SM2橢圓曲線公鑰密碼算法為例，如我們所知，這是個運算量比較大的算法，同時也對數(shù)據(jù)傳輸有著很高的要求。由于具備低延時的特點，OpenCAPI不僅能夠加速SM2算法的運算，還可以讓數(shù)據(jù)的傳輸更快，整個系統(tǒng)也由此更具安全優(yōu)勢。

生態(tài)的“移山”之旅

大賽規(guī)模的擴充，一方面令I(lǐng)BM中國OpenPOWER總經(jīng)理吳偉明欣喜不已，另一方面也令他深陷“煩惱”：與上屆比賽相比，主辦方需要做出更多“痛苦”的決定，比如將21支初賽隊伍最終縮減為10支挺進復(fù)賽的隊伍。

從2013年一路走來，OpenCAPI已經(jīng)迭代到第三代，日趨成熟，并且擁有上佳的技術(shù)水準(zhǔn)。然而現(xiàn)實是以GPU為主的開發(fā)，仍未被充分利用，IBM提供開源工具套件的初衷，是希望幫助開發(fā)者更加快捷、容易地開發(fā)應(yīng)用，加速創(chuàng)新。

IBM一貫重視與大學(xué)和科研機構(gòu)的合作，他們客觀、包容，可以接受新的東西，也樂于實現(xiàn)科技的快速落地。吳偉明表示，大賽的目的是把創(chuàng)新技術(shù)展示出來，讓客戶們看到在單純的CPU加持之外，實際上還有一條更為可靠的、CPU+加速器的硬件加速解決方案。

他注意到，與上屆相比，本屆大賽的參賽方案出現(xiàn)了一些極具意義的變化：此前的應(yīng)用基本是面向超算中心或是互聯(lián)網(wǎng)公司，而本次則涌現(xiàn)出一批與工業(yè)控制相關(guān)的方案。與此同時，很多方案也瞄準(zhǔn)了企業(yè)應(yīng)用的實際方向，這是一個非常好的跡象。

針對本次大賽，主辦方的OpenPOWER 基金會和OpenCAPI 聯(lián)盟，承辦方的IBM，協(xié)辦方的浪潮商用機器等伙伴，均投入了大量的資源，就是希望為新做開發(fā)的年輕人，或是正在做加速應(yīng)用的開發(fā)者，開啟不同的計算視角、提供更為務(wù)實和高效的計算途徑。

吳偉明指出，大賽的目的是改變整個以CPU為大腦的現(xiàn)有計算模式，改變?nèi)瞬诺哪芰Γ@是革命性的創(chuàng)新之舉，也是一次對原有計算生態(tài)的“移山”之旅，難度可想而知。

采用全新的異構(gòu)計算架構(gòu)，要求開發(fā)者具有更好的軟硬件協(xié)同開發(fā)意識，能夠清楚了解不同核心之間的性能優(yōu)勢，通過CPU協(xié)調(diào)各個異構(gòu)核心的計算算力，從而實現(xiàn)最優(yōu)的異構(gòu)計算方案。對于開發(fā)者而言，從原先單一挖掘CPU的計算能力，提升到能夠合理調(diào)度各個計算核心的算力，其轉(zhuǎn)變充滿挑戰(zhàn)。

這可能是一個漫長的過程，或許還需要兩到三年才能看到初步成效，但是一旦起步就會進入到加速期，并感染和鼓舞更多的人群，實現(xiàn)滾雪球式的發(fā)展。千里之行始于足下，新計算世界的開疆拓土勢在必行，主辦方與IBM愿意為此一盡綿薄之力。

“在現(xiàn)階段，我們希望通過大賽對CPU+加速器的模式做出回應(yīng)，將OpenPOWER + OpenCAPI的能力更加真實和全面地注入市場，帶動市場的同步發(fā)展。”吳偉明表示。

迭代：技術(shù)的進化

在本次大賽中，IBM中國系統(tǒng)實驗室芯片研發(fā)工程師錢晨以企業(yè)導(dǎo)師的身份，與同事一道參與了初賽團隊的參賽方案指導(dǎo)工作。他認(rèn)為，參賽方案涉及到視頻編解碼、深度學(xué)習(xí)以及密碼學(xué)等方面，很多奇異的構(gòu)思和創(chuàng)新的方案都令人拍案叫絕。

應(yīng)該說，此次提交的方案都具備較好的落地價值，與當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)熱點和企業(yè)應(yīng)用相契合。譬如錢晨負(fù)責(zé)指導(dǎo)的一個變壓器繞組模型在線監(jiān)測的課題，非常具有創(chuàng)新性而且貼近生產(chǎn)實際，可以很好地提升生產(chǎn)效率。

此外，方案的技術(shù)選擇也在某種意義上完成了迭代：復(fù)旦大學(xué)的視頻風(fēng)格遷移方案實現(xiàn)了CPU和FPGA的聯(lián)合計算加速，又進一步引入了GPU，從而做到了CPU、GPU和FPGA的聯(lián)合加速，為視頻遷移提供了良好的實時性，同時保持了高計算密度。

在這一方案中，CPU實際上是GPU與FPGA之間的調(diào)度者。吳偉明認(rèn)為，這也是OpenPOWER + OpenCAPI的發(fā)展愿景，既讓CPU從繁重的計算處理中解脫出來，更多地?fù)?dān)當(dāng)調(diào)度的角色，也讓GPU、FPGA等加速器部件發(fā)揮更好的作用。

雖然OpenCAPI非常強大，但是駕馭它并不困難，學(xué)習(xí)和使用非常簡單、易于上手，對開發(fā)者也很友善。一方面，這是因為OpenCAPI擁有非常豐富的技術(shù)文檔，另一方面則是由于IBM提供了一套非常成熟的軟硬件開發(fā)環(huán)境，這套環(huán)境包括：

基于OpenCAPI C1模式的加速框架oc-accel(OpenCAPI Acceleration Framework);OpenCAPI的FPGA板卡支持套件，OpenCAPI 3.0_Client_Ref Design;OpenCAPI的軟件開發(fā)庫libocxl;OpenCAPI軟硬件協(xié)同仿真引擎OCSE，OpenCAPI Simulation Engine。

這套開發(fā)環(huán)境經(jīng)過IBM工程師的努力，已經(jīng)全部在GitHub上開源，全世界所有異構(gòu)計算的開發(fā)者可以快速掌握。

毋庸置疑，大賽的目的是在大學(xué)里培養(yǎng)和引導(dǎo)人才，但是這并不意味著OpenCAPI的推廣會一直在象牙塔中進行。吳偉明表示，在繼續(xù)推動大賽的同時，IBM接下來也會在不同的場合，向更多的開發(fā)企業(yè)和開發(fā)人員推廣OpenCAPI。今年的OpenPOWER中國高峰論壇就將邀請一大批合作伙伴，并且會對部分已有的成果進行集中展示。

未來，IBM將進一步加強與OpenPOWER基金會和OpenCAPI聯(lián)盟的合作，與基金會會員和聯(lián)盟成員增進互動，以異構(gòu)計算引領(lǐng)計算的真正嬗變，為目前的計算世界開啟全新的紀(jì)元。(作者：“胖頭陀” 康翔)

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