【IT168 专稿】2015年在FPGA市场，发生了两件大事。其一，英特尔斥巨资167亿美金收购了Altera，这一举动无疑牵动了FPGA市场的神经，同时也让ARM阵营和由IBM牵头的OpenPOWER基金会感受到了压力。此举若站在英特尔的角度，最主要的因素可能是借助FPGA迎击来自移动芯片市场的ARM架构，亦同时扭转“摩尔定律”的节拍，让其重新回到自身熟悉的轨道。当然，任何战略性的调整，都不会不只有一个源动力，对英特尔如此，对于IBM亦然。

　　第二件大事的主角是由OpenPOWER基金会主导，由China Hadoop大数据专家委员会、IBM、赛灵思、无锡中太和恒扬科技等发起成立的第二代分布式计算联盟(以下简称联盟)，该联盟在2015年9月16日在北京正式宣布成立。距离英特尔收购Altera仅仅过去了三个月。需要特别指出的是，该联盟的发源地是在中国。

　　众所周知，目前在服务器市场，POWER架构虽然还未对X86带来明显阻力，但随着OpenPOWER基金会的成立，使得众多的服务器厂商有了新的选择，随着OpenPOWER的不断壮大，基于OpenPOWER平台所推出的服务器产品已经在性能和成本方面释放出优势，这得益于OpenPOWER基金会的ISV硬件加速支持计划。OpenPOWER基金会的中国成员无锡中太是受益者之一，其RedPOWER服务器成为了可首批承载IBM的CAPI技术和FPGA卡的OpenPOWER服务器产品。

　　起源背景

　　虽然由FPGA所引发的竞争已经箭在弦上，但正如前文所述“任何战略的调整，都不会只有一个原因”。第二代分布式计算是在2014年5月，由IBM和OpenPOWER基金会共同提出，所谓“第二代”是基于第一代无上限扩容与软件定义的计算的理念，提出将在服务器内部应用做细致切分，然后再将“异构芯片”与“加速器”的技术加入其中。而联盟的成立，却与中国市场在云计算、大数据、物联网等领域庞大的应用场景和跃进式发展息息相关，首先从一个故事谈起。

　　故事的亲历者有IBM大中华区科技合作部业务发展总监张思民、有赛灵思亚太区通信业务拓展高级经理梁晓明，当然也有来自中国ISV。根据张思民的描述，这次跨界沟通要早于英特尔收购Altera，所以即便是收购没有发生，联盟的成立也在计划之中;或许后来的收购，更加速了联盟成立的进度，抑或更加深了联盟在中国发起的决心。

　　在2015年的4月份开始，IBM和赛灵思有了首次沟通，IBM告诉赛灵思什么是CAPI;而赛灵思告诉IBM什么是FPGA，而在张思民看来这次沟通显然缺少了什么?究其原因，对于IBM和其所倡导的OpenPOWER基金会而言，更熟悉生态的建设，FPGA技术或许会让张思民和他的团队听着有点“云里雾里”，但对于IBM的CAPI架构师和梁晓明在技术方面的碰撞却没有阻碍，但当赛灵思提到FPGA如何解决应用中的性能问题时，这开始让张思民和他的团队感到兴奋了，因为这个方案与IBM许多的合作伙伴在做Hadoop大数据方面所遇到的问题契合。

　　于是，IBM研究院的CAPI工程师、赛灵思的架构师，以及IBM的合作伙伴一家从事大数据应用研发的中国厂商走在了一起。虽然这次IBM和赛灵思方面有了默契，但面对ISV，FPGA属于硬件编程范畴，根本与ISV所擅长的软件开发搭不上脉，怎么办?具体问题具体分析，从Hadoop大数据着手，ISV提出具体问题，赛灵思和IBM提出应对手段。

　　而这个案例也成为了联盟的第一个解决方案。Hadoop大数据应用为了确保数据冗余，Hadoop架构要求每一份数据备份三份，那么将面临需要3倍的存储空间，而且无法在线实时备份，从存储角度的解决方法是通过擦出码技术将硬盘所需要的使用率从3倍降1.4倍，虽然存储的问题解决了，但CPU的使用率会超过99.9%来进行逻辑运算，如此高的使用比，显然CPU的处理能力已然分身乏术。

　　怎么办?显然ISV所面临的大数据问题，如果只有IBM自己，或赛灵思自己，ISV自己都不可能独自解决。因为实现在一台服务器中将应用负载分流，首先要解决生态和技术障碍;生态方面，ISV没有FPGA的编程经验，赛灵思缺乏行业应用知识，IBM有CAPI技术也独木难支;技术上障碍来自FPGA和CAPI接口的应用编程问题。

　　为了解决掉这个实际应用场景问题，生态的力量开始发挥，IBM和无锡中太推进服务器和CAPI的研发，赛灵思与恒扬科技研发FPGA卡，来共同为ISV提供解决方案。据悉，目前赛灵思与恒扬科技研发FPGA卡已经面世。

　　因何发端中国

　　可能有朋友会问，目前ICT主要的标准和体系主要还源于美国，为什么联盟却从中国市场发端?IBM中国研究院副院长、IBM杰出工程师邵凌从市场和技术角度是这样解读的，“首先市场因素是诱因，我们看到在中国市场，大数据、认知计算、物联网等等很多新兴应用在中国发展和传播速度很快，而且新业务需求明显，对应的应用驱动下就要匹配解决方案”。

　　技术因素方面，邵凌认为技术创新的方向发生了改变，同时开源使得技术差距缩短，还有FPGA一直以来在通信领域被广泛认可，众所周知在通信领域最活跃的市场在中国。他指出，“目前半导体的创新已经到了瓶颈阶段，虽然中美之间还存在较大差距，但技术的创新正在从半导体创新向架构创新改变;其次，很多新兴的平台逐渐走向开源，如大数据领域的Spark、Hadoop等，系统级的KVM、Docker、OpenStack等，使得中美之间的软件技术能力在逐渐缩小;还有中国在通信市场的领跑，使得以华为、中兴等为代表的优秀企业自身储备了大量的人才，而FPGA是通信产业的关键点。”

　　第一张满足大数据应用的CAPI FPGA卡诞生，也让IBM内部开始反思?IBM希望张思民去总部分享，并考虑如何将这种模式复制到美国、欧洲。中国作为第一个“吃螃蟹的人”，得益于中国海量的应用场景和互联网高速发展，这会激发无数的想象力。但张思民也冷静的提到，“CAPI的核心技术研发和基础技术研发的土壤依然在美国，人才储备和经验积累短时间还无法超越，底子问题需要理性面对。”

　　无疑，中国市场拥有蓬勃的潜力，也同样面临基础技术底子薄、人才匮乏的尴尬处境;但这样的处境正在发生改变，当IBM将POWER芯片的整个代码贡献出来的时候，中国的合作伙伴成为基金会最重要生力军，累计数量已经超过20家。这可能也是联盟要发端中国的一个因素吧。

　　吸引了谁?

　　在联盟成立的现场，吸引了超过200+用户的目光。这里包括ISV、IDH、FPGA技术人员，行业用户，最具代表性的当属来自阿里巴巴、京东、新浪、美团等互联网的用户。新浪研发中心总经理童剑(童剑也是IT168的老朋友，他曾作为演讲嘉宾多次出席中国系统架构师大会，分享新浪的技术发展)认为，“FPGA的硬件加速技术改变了存粹用软件的方式去提升性能的革命性方法;联盟的成立更是消除了软硬件之间的间隙和距离，使得用户能够在整个系统中软硬兼施并互相融合，对改善整体性能有很大的促进。”

　　童剑分享到新浪之所以对FPGA如此感兴趣的原因在于，“新浪微博对能提供应对互联网海量数据的解决方案十分渴望;首先新浪是拥有数亿计会员的互联网公司，每天生成的数据量庞大，以图片服务为例。每天在微博，用户上传的图片存储数据过亿，兼容不同客户端的图片格式有40多种，如缩略图，高清图，更高像素比的图片，也就是40多种格式的图片要存储，要进行实时压缩，目前大量的图片压缩处理通过x86服务承载，如果有新的技术一定会第一时间尝试;如谷歌提供的压缩格式WebP格式，如GPU压缩加速。而一直以来使用FPGA方案，我们试图尝试，但要求复杂的改造，之前我们还无法实现，但现在联盟的成立给我们提供了新的桥梁，给技术的创新带来可能。”

　　诸多的用户和ISV都在现场认为联盟的成立是具有划时代意义的，这也是笔者为什么在开篇要引出2015年的FPGA市场，联盟成立是大事件之一。虽然这样的结论还为时尚早，但联盟发端中国，联盟开放的连接纽带，以及OpenPOWER基金会的前车之鉴等等因素，都不得不让人做出这样的判断。但真正的实质在于，因为CAPI的独有性和纽带作用，使得OpenPOWER处理器的内核、FPGA的加速能力，服务器一起，共同打通了第二代分布式计算平台。

　　据悉，在联盟成立的当天组织了第一次工作会议，就联盟的注册、章程制定、运营细节和目标等进行了磋商。

　　CAPI是联盟的实质?

　　形式虽然重要但实质才是决定成功的关键。那么要实现第二代分布式计算，CAPI技术无疑是关键所在。这就不得不从技术和行业两个维度细细阐述。CAPI全称Coherent Accelerator Processor Interface(一致性加速器接口)，CAPI只是个协议名称，物理连接依托于PCIe 3.0总线，关键组件通过它具备直接访问CPU的内存空间(一致性)的能力，从而大大提高了外设的运行效率，从而降低加速卡的开销，而起到加速的作用。

　　为什么要引入CAPI?简而言之，随着数据量的激增，系统需要更强的硬件计算能力来满足处理需求。IBM全球杰出工程师Bruce Wile在联盟成立的主旨演讲中指出，“当计算机系统从单CPU系统进化到多CPU系统的时候，它的性能功耗比其实是在不断下降的。为了提升硬件处理能力，一个解决方案就是在CPU核上开辟多个硬件的线程，用这些线程来提高它的处理能力;另一个方案是引入GPU或FPGA，使用这些硬件来帮助系统处理数据，传统上GPU和FPGA都是以I/O设备的形式挂载在系统上，要使用这些I/O设备，就需要更多的技能，比如编程人员需要学习一些硬件的知识，需要懂得I/O设备的驱动，同时由于它们是I/O设备，没有和CPU共享内存，因此需要内核代码帮助它们做数据传输。”

　　很显然前者，受到“摩尔定律”瓶颈的约束，已经面临新的拐点。而后者是从固件、操作系统、设备应用等多个角度来寻求解决问题的办法。所以处于IT链顶端的IBM和英特尔都选择了两个方向并行的策略，而IBM先一步拥有了CAPI。

　　CAPI的工作原理和模式是怎样的呢?FPGA工作在协处理器模式，它就像第二个CPU核，FPGA上面的CAPI加速器就像一个固化在硬件上面的线程，它与软件是工作在多线程的模式下。CAPI可以使FPGA连接到计算系统上，通过给FPGA内嵌处理逻辑，让FPGA硬件和CPU上的软件共享虚拟的地址空间。CPU上的线程会产生数据，同时也会产生一个任务队列，在这个队列中可以定义指导FPGA上的硬件对这些数据进行操作。通过调用CPU上的软件，可以触发FPGA硬件去任务队列中获取任务描述，然后FPGA通过共享的存储空间来读取内存上的数据，并产生结果，而这些结果和数据都是可以被CPU上的软件直接访问。

▲图：使用CAPI后会解决点传统FPGA加速的局限性，同时在处理器端和FPGA端所得到的工具和生态圈支持。

　　“因为CAPI，硬件加速和应用软件的距离被拉近了”，IBM中国研究院资深研究员陈飞如是说。这样阐述的理由在于，如前文中童剑所述，也曾通过FPGA来实现加速，但当评估结果要对软件架构做出大幅改动时，新浪选择了放弃。而现在CAPI给了他们尝试的理由。

　　陈飞指出，“CAPI最大的优势有三个方面，减少软硬件数据传输的开销，减少系统开发的工作量，同时对已有应用程序的改动小。”

　　如果你认为以上的描述过于偏重技术逻辑，那么CAPI在癌症治疗、银行欺诈检测和零售业销售水平分析方面的案例，更能带给我们真切感受，癌症治疗光子模拟计算令人印象深刻。

　　在癌症治疗中，有一个难题，当医生将药物注入到癌症细胞中来杀死癌细胞的同时，也会杀死正常细胞。为了让治疗更加安全高效，医疗行业需要模拟药物在人体生效的过程，传统模拟中，模拟大概两周时间来产生非常好的治疗方案。为了缩短治疗方案模拟的周期，IBM使用一种名为“蒙特卡罗”的模拟方法，模拟“光子吸收前在体内的散射情况，需要对这种行为进行建模并且模拟，每个光子大概需要1000多次循环，来模拟它在人体中的飞行，同时会有更多的光子需要在并行的被模拟。”

　　于是CAPI和FPGA硬件有了用武之地。如使用传统的计算结构再加上FPGA的加速，可以获得4倍速度的提升，如使用CAPI与POWER8的组合，可以获得64倍性能的提升。模拟从两周缩小到两小时。

　　进击FPGA

　　面对英特尔在x86市场的绝对主导地位，争锋不如抓住机遇来的实在，OpenPOWER基金会和IBM应该深谙此理。一方面是万物互联的新机遇，一方面是对手在FPGA市场的破绽，抓住了才能为联盟赢得时间和空间，所以进击会更加主动。

　　令深圳市恒扬科技股份有限公司总经理李浩一直苦恼的是，“做FPGA加速卡一直以来都是阳春白雪的领域，别人不知道也看不清楚，而联盟将能让FPGA行业获得更大的发展。”

▲图：无锡中太和恒扬科技工作人员演示将FPGA板卡插入卡槽

　　在联盟成立现场，恒扬科技展示其基于PCIe标准规格的NSA系列硬件FPGA加速卡，在不改变POWER服务器硬件配置、无需额外机架空间、无需额外结构支持、无需额外电源提供、无需额外被动散热的情况下即可简单安装使用，达到硬件松耦合。而且只需要十几瓦到六十瓦的功耗即可达到现有X86服务器三倍到上百倍应用性能的提升。

　　在无锡中太服务器有限公司董事长王雪松眼中，“加入OpenPOWER基金会在带来挑战的同时，也让无锡中太发现了更多的创新点，尤其是跟软硬件结合的创新，而联盟使得这种结合更加紧密。”

　　从李浩和王雪松的表达中，不难看出联盟正给他们带来更大的机遇。那IBM呢?面对英特尔的服务器芯片市场的主导地位，通常有两种选择，其一努力与X86缩小差距，其二是另辟蹊径。IBM显然是第二种选择的代表。

　　张思民甚至用“革自己的命”来解释IBM进击FPGA的决绝。“IBM已经在做7纳米技术，而从7纳米到4纳米乃至更小，从商业的性价比角度来看已经不太大，推进下去比较困难。而市场的浪潮让我们无法再纠结于卖不卖服务器，用户选择服务器扩容，那么服务器承载的数据中心空间已经不足，计算跟不上，客观条件不允许，IBM只能选择革自己的命。”

　　同时，联盟为加强FPGA独立开发商以及相关行业ISV之间的更好协作，推出了CAPI FPGA应用加速商城。该商城建立于IBM中国研究院打造的SuperVessel云平台上。SuperVessel云平台将为CAPI FPGA应用加速方案提供高隔离性、高稳定安全的云端开发和测试环境，帮助ISV更充分利用OpenPOWER先进的硬件架构，更方便快捷地进行FPGA应用加速方案的设计、编程和构建。

　　结语：

　　通过介绍，也许你会发觉信息量如此之大;而我想说的是，还有很多信息因篇幅原因，还未表尽。如Altera虽然被英特尔收购，但它却依然是OpenPOWER基金会的会员，CAPI也对Altera开放，现在是这样，未来呢?目前在国内，基于CAPI的FPGA加速卡远远还与市场的应用需求脱节，相信很多用户仍在举目翘盼。还有，虽然CAPI已经将软硬件的联合创新提供了桥梁，但兼容性的人才，可能依然是用户和联盟所面临的挑战之一。CAPI的“中国模式”会给全球FPGA市场带来怎样的深远影响。。。