2019年2月26日至28日，計算機網路系統領域的全球頂級學術會議NSDI於美國波士頓舉行。作為業內權威學術大會，NSDI一向十分重視收錄文章的質量，因此大會採用嚴格的雙盲評審，每篇文章都要經過兩輪總計六到八個審稿人的審閱，以及程式委員會的討論篩選。相比一些計算機頂會動輒上千的入選論文數，每屆NSDI大會上僅有幾十篇論文能夠入選。
今年的NSDI大會共收錄了包括知名高校和企業研究機構在內的49篇論文，其中有5篇來自微軟，包括微軟亞洲研究院網路研究組的最新研究成果“Direct Universal Access: Making Data Center Resources Available to FPGA”（直接通用訪問：使資料中心資源可用於FPGA）。
與此同時，每屆NSDI大會都會評選出一篇歷經 “時間考驗（Test of Time）”的論文。顧名思義，這篇論文必須在本領域發表了至少十年，經過時間考驗證明其有著深遠的影響力。微軟亞洲研究院於2009年發表的軟體無線電系統Sora（Microsoft Research Software Radio），在本屆大會上榮獲了“經歷時間考驗（Test of Time）”獎項。
FPGA互聯互通：雲基礎設施虛擬化的里程碑式進展
眾所周知，FPGA是大型雲基礎設施的底層技術支撐，如今被廣泛地部署在資料中心裡。相比於CPU或GPU，FPGA的優勢在於更高的計算效率。為了發揮FPGA的計算效率優勢，則需要FPGA直接訪問資料中心中的各種資源，而不是由CPU進行中轉，這些資源包括大量儲存，如主機記憶體和NVMe硬碟等等。而資料中心中的計算業務通常很龐大，單個FPGA無法裝載全部的邏輯或是無法滿足計算的延時需求，往往需要多個FPGA協同完成計算。同時，異構計算還需要FPGA與CPU或GPU等計算裝置交換資料。
事實上，FPGA可以看作是一種硬體程式設計，它與軟體不同，軟體可以實時更改、調整，但硬體程式碼更像是刻印其上，難以更改，所以硬體可程式設計難度非常高。當使用者訪問不同的資源時，他們需要不斷地重新編寫不同的程式碼。此外，當前資料中心中的FPGA應用通訊使用了一些定製化的協議棧，以直接訪問特定的資源，如訪問主機記憶體的DMA，通過資料中心網路訪問其他FPGA的LTL等。但是這些定製的通訊方式訪問能力有限，介面複雜。為了使用某一協議棧需要付出很多額外的開發代價。由於FPGA程式開發週期很長，這都極大地限制了FPGA程式在資料中心的使用。
針對這些問題，並基於微軟資料中心超大規模的FPGA部署，微軟亞洲研究院的研究員們創新研究了一套互聯互通系統——“直接通用訪問”（Direct Universal Access，簡稱DUA）。DUA可在不改變資料中心已有網路的情況下，為資料中心中的FPGA提供一個簡單而高效的通訊體系結構。
當前FPGA通訊體系結構
UA實現的通訊體系結構
通過DUA，FPGA可以訪問資料中心中所有的資源。具體來說，DUA沿用了已有的資料中心網路以及FPGA訪問各種資源的通訊協議棧，並把FPGA作為“路由器”連線各個協議棧，將整個資料中心的資源連在一起。在這一資料中心全部連通的網路之上，DUA為每一個資源都提供了全資料中心統一的地址、路由以及連線管理。
DUA還對FPGA開發者提供了統一的程式設計介面來訪問各種資源，開發者不需要考慮資源的型別和所處的位置，簡化了程式碼重寫的難度，極大地降低了FPGA應用程式的開發週期。
論文的實驗結果表明，DUA在不同連線方式間轉發資料的延時不到0.1微秒，相比而言，資料中心中兩臺主機間的延時大約是3微秒。DUA在任意兩埠間轉發的吞吐量可以滿足PCIe、乙太網等FPGA外部介面的最大傳輸速率。然而，DUA這樣高的效能並沒有佔用FPGA晶片過多的邏輯資源（僅約不到10%）。更重要的是，通過使用DUA，開發者只需要分別修改幾十行程式碼，就可以把兩個應用——深度學習演算法deep crossing和網路包深度檢測演算法的核心模組——從一塊FPGA擴充套件到多塊FPGA，同時取得接近於線性的效能提升。
此外，當前現有的大型雲平臺，雖然可以實現多租戶的運營，但其實每個租戶所租用的儲存空間、算力、網路頻寬等都無法實現真正的互不干擾，尤其是分配給不同租戶的虛擬資源剛好在一臺物理機上時，干擾一定會發生。即便分配給不同租戶的虛擬資源不在一臺物理機上，也會帶來利用率低下的問題。儘管管理員絞盡腦汁將物理設施劃成大大小小的虛擬資源塊，但仍然有不少資源被浪費。而DUA可以讓多個使用者共用同一部分資源，大大提升了FPGA的利用率。
微軟亞洲研究院副研究員舒然表示，如果將整個“雲”看作是一臺PC的話，那麼FPGA互聯互通則可算是與PC中的網路協議棧相對應，並在整個“雲”作業系統中發揮非常重要的作用。“在FPGA之上搭建的這層通用的網路系統，將所有FPGA相連，形成了一個FPGA資源池，在極大地提升了硬體速度的同時，還提高了資源利用率。”
資料中心大規模部署的FPGA真正實現互聯互通，無疑是雲基礎設施虛擬化的里程碑式進展。FPGA資源池可以真正做到任何租戶使用任何物理裝置上的任何虛擬資源，以及同一應用跨裝置使用虛擬資源都不再是問題。可以認為，作為未來大型雲基礎設施的一部分，FPGA在互聯互通上的突破有望開啟整個未來基礎設施的變革。
《Direct Universal Access: Making Data Center Resources Available to FPGA》論文原文：https://www.microsoft.com/en-us/research/publication/direct-universal-access-making-data-center-resources-available-to-fpga/
Sora系統：軟體無線電領域的陳年佳釀，愈久彌香
十年前，Sora便一鳴驚人
Sora是一個完全可程式設計的、高效能的軟體無線電系統，可以用於實現最前沿的無線通訊技術（Wi-Fi、LTE以及MIMO等）。其在軟硬體平臺上的創新使得Sora可以在PC上完成高效能的無線訊號處理。這種用軟體的方式去實現以往固化在硬體中的無線電功能，無疑讓靈活度倍增，而這也是Sora的顛覆性所在。
由於Sora可以在一個通用的硬體平臺上，完全用軟體來實現各種不同的無線通訊協議，因此，如果通訊協議更新，那麼僅通過軟體升級的方式就可以進行相應的部署，而無需替換硬體板卡。這對於學術研究和實際產品應用都有著非常重要的意義。同時，Sora還起到了一個橋樑作用，將以前通訊和計算機軟體這兩個隔絕領域的研究人員連線在一起，可以在同一個平臺上工作、交流。
微軟亞洲研究院20週年特展中展示的“Sora”軟體無線電系統原型
2009年，微軟亞洲研究院首次發表Sora這一軟體無線電系統的研究成果時，相關論文就獲得了NSDI 2009的最佳論文獎以及學術界多項最佳論文和演示大獎。
在Sora出現之前，無線電通訊系統中關鍵的底層操作，如物理層（PHY）訊號處理、媒體訪問層控制（MAC），基本上都是用專用硬體來實現的。但是，這種以硬體晶片實現的無線電系統存在兩個明顯的不足：一是，硬體晶片一旦設計生產後，就無法修改和升級；二是，硬體晶片設計成本昂貴。這都極大地制約了無線技術的研究與發展。
Sora的系統架構
面對這些挑戰，微軟亞洲研究院開發了Sora。研究員們首先設計了一款新的射頻控制介皮膚，利用高速PCIe匯流排傳輸寬頻無線訊號取樣。其次，Sora充分利用了現代多核CPU的多種特性來平行加速無線訊號處理（例如，SIMD指令及利用Cache構建查詢表等）。Sora的軟體架構可以將處理流水線有效地分配到多個核上，從而實現流水線平行計算。最後，Sora中實現了一個新的核心服務，稱為專屬執行緒，可以被現實指定在特定核上，用於保障處理的實時性。
Sora的業界影響綿延至今
十年前，Sora專案的推動者和該論文的作者之一，時任微軟亞洲研究院無線與網路組負責人的張永光（現任微軟研究院首席研究員，負責微軟雷德蒙研究院網路雲化研究）就曾表示，“我們不少研究專案是著眼於10年後的應用，這些研究成果未來可能從根本上改變工業界。”在NSDI 2019大會上，這句話得到了驗證，時隔十年，Sora榮獲了“時間考驗（Test of Time）”獎，在系統領域能夠獲此殊榮的技術可謂鳳毛麟角。
Sora榮獲NDSI 2019“時間考驗（Test of Time）”獎
張永光介紹道，Sora剛一出現就引起了學術界與工業界的興趣，眾多機構開始在科研和教學中使用Sora。隨後為了滿足研究者們日益迫切的各種研究需求，微軟亞洲研究院開源瞭如支援定製的射頻前端、支援定製的RCB、支援新的通訊模式等大量Sora系統特性，幫助更多的研究團體實現了更多的無線電領域的科研創新。
“當時軟體無線電效能低，跟不上高速的無線通訊要求，學術界的各研究機構都只能通過模擬或數學推斷進行研究，無法真實地驗證工作，這導致了無線網路通訊系統的學術研究工作與實際脫節。有了Sora之後，科研人員可以真實地實現測試，從而推動了該領域國際上的研究工作”，張永光表示。
在工業界，Sora對其他無線網路系統也產生了積極的影響。今天，軟體無線電系統廣泛使用的PCIe、多核CPU、實時射頻等技術，都是Sora率先開始使用的。今天大家所熟知的GNU radio，在十年前的效能也非常滯後，正是通過使用了這些技術，才有了今天效能良好的GNU radio。不僅如此，當今5G中vRAN的實現，也多多少少應用了類似技術。
Sora十年來給學術界和產業界帶來的深遠影響，是它得以獲得“時間考驗（Test of Time）”殊榮的原因。正如它名字裡蘊含的語義：Sora在日文中是“天空”的意思；Sora還是遊戲“王國之心”男主角的名字（在故事中，這個十六歲的勇敢男孩，手持“鑰匙刀”，成為拯救世界的先驅），Sora的發展可謂開闢了另一片天空，為整個無線電系統研究做出了傑出貢獻。