张冬：OpenPOWER CAPI为什么这么快？(二）

PMC公司数据中心存储架构师张冬

有了CAPI的FPGA是怎么做的？

首先认识一下这个体系里的三个角色：

AFU(Acceleration Function Unit)，主加速逻辑部分就是FPAG的加速芯片，用户可以把自己的加速逻辑和Firmware写进去。

PSL—Power Service Layer,提供接口给AFU用于读写主存和V2P地址翻译(与CPU侧使用同一个页表，并包含TLB)，同时负责Probe CAPP实现全局cc，并提供Cache。PSL由IBM作为硬核IP提供给FPGA开发者。

CAPP—Coherent Attached Processor Proxy,相当于FPGA侧的ccAgent，但是被放在了CPU侧，其维护一个filter目录并接受来自其他CPU的Probe，未过滤掉的Probe转发PSL。

操作要点可以简要的概括为以下6点：

针对专用场景、PCIE专用加速卡进行优化；
FPGA直接访问当前进程的全部虚拟地址空间，无需转成PCIE地址；
加速卡上可以使用Cache并通过CAPP的Probe操作自动与主存cc；
加速卡与CPU看到同样的地址空间并且cc；
提供API，包括打开设备、传递任务描述信息等，相当于驱动程序；
PSL由IBM提供，硬核IP。AFU通过opcode及地址控制PSL收发数据。

在此过程中，CAPI致力于把FPGA当成CPU的对等端，但这是一个特殊的CPU，对计算加速非常快的，非常高效的一个CPU。优势在于：两边看到了一样的地址空间，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。再就是FPGA一侧可以有Cache，可以缓存主存里的数据，而且Cache是与主存一致的。

现在FPGA可直接访问主存空间，但它不会访问所有的物理空间，因为CAPI 1.0每个时刻只能给一个进程来用，CAPI会为进程会提供一个接口，打开FPGA之后发数据和指令。CAPI 2.0会让FPGA有一个分时复用机制，比如，每10毫秒跳一个线程，但是当前的FPGA不具备这个功能，只能是谁用谁打开。谁打开了FPGA就看到谁的虚拟空间。有了这种机制以后就不需要映射了，再就是可以直接访问内存地址了。还有Cache，基本就融入了所有的CPU了，就是一个对等、对称的关系。

性能能提高多少？

硬件配置是这样的：

IBM Power8 Server, S822L

Ubuntu, kernel 3.18.0-14-generic

Nallatech 385 CAPI card

Samsung SM1715 1.6TB NVM ExpressSSD

测试时，ŸPMC工程师用FPGA制作了一个文本搜索引擎，如上图。

测试过程中，Host端主程序从NVMe SSD读入数据，并生成任务描述链表，ŸAFU采用pooling的方式访问主存获取任务描述链表并执行搜索任务，Snooper用来debug和性能监控。

性能 – P8<->AFU

当队列深度60时的时候，获得一个极限吞吐量，接近6GB/s的带宽，带宽非常大。

延时也很小，只有1.5微秒，平均90%读写在1.5微秒完成。

CAPI1.0暂时做不到的事情

现在CPU的线程看不到AFU上的地址空间（MMIO控制寄存器地址除外）。而且，AFU只能给一个进程使用。如果未来可以把FPGA直接接入CPU的FSB，是不是会更快？

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