摘要：本文介紹了CAPI技術，并給出基于CAPI應用的三個案例。

1 向第二代分布計算演進

　　最早的時候計算機系統(tǒng)單任務的，隨著數(shù)據量的增加，單計算任務的處理能力已不足以滿足人們日益增長的需求，所以計算機系統(tǒng)逐漸演進到多任務的計算環(huán)境，同時有多個CPU運行(圖1)，這就產生一個訪問內存中的數(shù)據，數(shù)據的一致性是要急需解決的問題。那么什么是數(shù)據一致性的問題呢?當一個CPU對一個數(shù)據進行操作之后，另外一個CPU需要拿到正確的數(shù)據。

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

　　隨著互聯(lián)網的普及，數(shù)據量比以往更多。對于系統(tǒng)來說需要更強的硬件計算能力，來處理更多的數(shù)據。常見的解決方案是在CPU核上，開辟更多個硬件的線程，用這些線程來提高其處理能力，來幫助它對I/O端口過來的數(shù)據進行更好的處理，同時加入了GPU和FPGA，使用這些硬件來幫助系統(tǒng)處理數(shù)據(圖3)。但是傳統(tǒng)上GPU和FPGA都是以I/O設備的形式掛載在這個系統(tǒng)上面，為了使用I/O設備，需要提高技能，如編程人員需要學習硬件知識，需要懂得內核的人為I/O設備進行驅動的開發(fā)，同時由于它們是I/O設備，沒有和CPU共享內存，所以需要內核代碼幫助他們做數(shù)據傳輸。擺在面前的另外一個難題就是半導體技術的性價比不再持續(xù)增長，現(xiàn)在已經到了一個拐點，不能依賴于半導體技術的增長使系統(tǒng)更快更強，需要從硬件還有固件、操作系統(tǒng)、設備應用等多角度考慮，尋求一個更好的解決方案。

　　為了解決這種需求，現(xiàn)在引入FPGA使用CAPI(相干加速器處理器接口)接入系統(tǒng)更快更好地處理數(shù)據。隨著移動互聯(lián)網的發(fā)展，這樣數(shù)據會比以往更多，所以我們需要硬件來幫助系統(tǒng)處理數(shù)據。當然整個系統(tǒng)不是IBM提供的封閉系統(tǒng)，雖然IBM也有一個192線程的機器，再加上FPGA的板卡，但是IBM沒有提供這樣一個封閉系統(tǒng)，相反IBM會有更多的合作伙伴，比如中太數(shù)據的服務器、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(tǒng)解決方案、三星提供的存儲解決方案。以一個合作伙伴的形式，向更多的企業(yè)提供應用，提供服務。

　　CAPI可以使FPGA連接到系統(tǒng)上面(如圖4)，通過在FPGA上面內嵌了一點處理邏輯，使FPGA上面的硬件可以和CPU線程共同共享一段虛擬的地址空間，在CPU上的線程會產生數(shù)據，同時也會產生一個任務隊列，隊列可以定義指導FPGA上面硬件如何對數(shù)據進行操作。在新一代的系統(tǒng)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進行維護。通過一個調動CPU上的軟件可以觸發(fā)IPA硬件去任務隊列里面獲取任務的描述，然后FPGA通過共享的存儲空間來讀取內存上面的數(shù)據，并產生結果，這些結果和數(shù)據都可以被CPU上軟件直接訪問的。IBM已有系統(tǒng)是工作在這樣的模式。用CAPI技術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，F(xiàn)PGA工作在協(xié)處理器的模式共享內存。

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