恒生高性能FPGA之路：软硬结合，极致突破

　　第一时间获取精准的行情信息，是交易发生的前提，也是交易系统实现全链路低延迟的第一环。

　　近几年，各家在交易系统性能比拼上可谓是穷尽了各式方法。

　　虽然采用低延迟智能网卡为全链路延迟带来了显著的性能提升，但也牺牲了部分计算速度。而 FPGA凭借其高并发以及可编程特性，通过与CPU结合的模式，为高性能计算带来了全新的性能突破口 ，在降低全链路延迟方面逐渐展现出不可忽视的光芒。

　　恒生多年前就已开始储备FPGA技术能力，在市场需求与政策的双轮驱动下，近几年将其产品化服务于客户，通过“软硬结合”的技术创新模式应对低延迟交易技术在软件应用上的理论瓶颈，推动高性能交易技术不断发展演进。

　　01

　　兵马未动

　　粮草先行

　　高性能远征途中，恒生选择做好充足的准备再行动。

　　最早的端倪出现于2014年。一则有关FPGA在金融领域应用的帖子在恒生内网发布，让一众程序员热血沸腾。

　　被吸引的程序员一半是参与UFT极速交易研发的同事，另一半则为对硬件技术颇有“情怀”的人。其中便有如今FPGA小组的组长吴哥，聊起大学时玩硬件技术的情景，一个个关于如何修改自主行驶汽车的操作系统、如何玩转FPGA的故事折射出早期Geek们的追梦时光。

　　“老开发”吴哥已深耕极速交易领域多年，在他看来，早期金融领域的FPGA玩家普遍存在性能与质量之间难以兼顾的问题。

　　“通过容忍一定的丢包而实现了高性能，产品质量其实远没有达到市场所需的水准。这就是我们的机会 。”

　　2014年的极速交易赛道上，恒生的UFT高频交易解决方案已经处于行业领先位置。彼时国内FPGA在金融领域的应用并不成熟，不具备政策条件。

　　但眼光的长远与视野的开阔程度，才是格局面大小的真正体现。在极速交易赛道上，UFT技术专家们不会放过任何一次新的突破机会。

　　在国家自主可控、自主创新的政策推动下，为进一步引导FPGA行业积极发展，多项利好FPGA的政策从市场需求、供给、产业链结构、价值链等层面出台，为FPGA产业发展营造了良好的发展环境。

　　很快，UFT小组的技术专家们便对FPGA在金融领域的应用展开深度研究，大家发现相比于CPU、GPU等计算设备，FPGA的确在计算密集型和通信密集型事务处理中有不可替代的优势。

　　“一段时间的反复研究后，我们决定基于恒生深厚的高性能技术叩开FPGA产品的大门。我们的目标是给客户带来极速性能与高质量服务的产品和体验，让FPGA在高性能技术上的应用达到质量与性能并重的新高度。”

　　理想滚烫，搭建起一支强队是FPGA产品能否有进一步发展的关键。

　　FPGA因其高精尖的技术特性，导致其从业门槛极高，该领域人才稀少。在杭州百万人次级别的开发规模中，涵盖在校学生在内的FPGA相关人员也仅有几千人。尽管是如此小众的领域，吴哥和一众技术大佬也秉承着最优原则挑选出优秀且适合金融领域的FPGA人才。

　　功夫不负有心人，2019年，具有十多年FPGA应用实践经验的哲科、王博士、在FPGA流水线设计上具有资深经验的技术专家魏兄等人来到了恒生，FPGA产品小组整装待发。

　　一场新的突破将由“软硬结合的技术”来引爆 ，恒生在极速军备竞赛中正注入全新的动能。

　　02

　　软硬结合

　　突破性能极限

　　于专业投资者而言，为了追求最低时延和最高效率，策略下单程序大多是托管在交易所专属机房。

　　传统软件的行情信息系统，信息解析过程需经过网络层数据获取、协议层数据解析、应用层数据处理等，在通过网络专线与交易所通信的过程中，既要保证稳定可靠还要在交易合规的前提下尽可能降低与交易所链路上所有环节的延迟，比如网络延时、接口延时、应用延时等。

　　在操作系统层面，存在微秒甚至毫秒级别的上下文切换和软件处理延时。操作系统的调度具有一定的不确定性。对一个X86平台实现的系统来说，凭借CPU的高主频，简单的转码计算可以在几十纳秒内完成，主要的耗时在数据拷贝、上下文切换和网络处理上。

　　因此在接口延时与应用延时几乎难以作改动的情况下，可在网络延迟上找出路。

　　近几年，通过低延时网卡、内核旁路技术给金融系统性能带来了很大的提升，但更进一步的提升就需要用到FPGA的能力。

　　通过将网络、计算都卸载到FPGA的方式可改变数据通过网卡硬件流进操作系统，处理完成后再通过网卡硬件发送到传统路径。

　　数据通过FPGA的光口直接进入FPGA逻辑处理单元，处理完成后再通过光口发出。吴哥表示，最理想的情况下可以把FPGA看成一根光纤，流经FPGA的数据流只引入在物理介质上传输的时间。

　　简而言之，通过卸载部分或者全部功能到FPGA，发挥FPGA的流式处理能力可显著提高全链路性能。

　　一般认为，高频交易在经历各个阶段的连续迭代后，软件系统理论上已经到极限。但从恒生反复实践的结果来看，通过FPGA+CPU异构的模式，将网络和一部分计算卸载到FPGA的系统后，性能远高于CPU+ 网卡的系统。

　　这意味着，将FPGA与软件开发相结合，可以打造出一条软硬结合的低延时总线来抬高纳秒级总线技术的天花板。

　　新的突破即将诞生！

　　从理论到一个产品的落地，中间要经历多重锤炼。FPGA团队经历的第一个考验便是质疑。

　　“你们这个做出来不一定能上线。”

　　“先买一块板试一试。”

　　在恒生公司内，这是个无人区，FPGA小组难免听到不同的声音。质疑声多了，反而更加激发了全小组必胜的决心。

　　“这是一个从0到1的新产品，也是一个只许成功不许失败的产品。”

　　吴哥的这句话，既有技术人对自己荣誉的捍卫，也有出于执行公司级战略的坚定不移。

　　荣耀存于心，而非流于形。所谓有志者事竟成，2020年9月，FPGA团队做的第一个FPGA极速行情测试版终于出炉：

　　第一个版本的测试结果显示，性能秒杀市场上最快的软件行情系统。

　　尽管在如今纳秒级的技术面前，这几微秒的提升看似不值得一提，但对于整个FPGA小组来说， 这一个实实在在的数字极具里程碑意义，更让所有人都看到了FPGA在高性能应用上的可行性。

　　“最大的感觉就是，天亮了。” 吴哥说。

　　天亮后，远征之路的方向更加清晰了，脚步也更加坚定。

　　随着公司对FPGA资源支持的逐步加大，恒生在FPGA应用上开启全力提速模式，FPGA小组则朝着“在FPGA金融应用中，速度与性能达到双第一”的目标大步前行。

　　03

　　实践派路线

　　推动产品落地与平台化发展

　　行情揭示了市场里细微实时的变化，低延时的行情系统意味着专业投资者能够更早获取行情信息，让交易策略系统以及报盘系统能更快产生交易指令。

　　因此，极速行情系统作为完整解决方案的排头兵、高频量化交易客户性能竞赛的起跑线，是不容忽视的一环。

　　2021年6月，恒生正式推出FPGA深证极速行情版本，2个月后于国金证券正式上线。通过FPGA应用，国金证券完成软硬结合的极速新形态，全链路低延迟达到极致新低。

　　在金融机构的真实场景里开展实打实的测试评估，是检验FPGA速度的直接手段。

　　近两年，基于FPGA的沪深行情系统参与了金融机构内的多次POC测试，多次结果表明系统性能已经实现了对其他厂商的全面赶超。这让恒生的FPGA小组对每一次新的冲击都充满信心。

　　“通过多次测试，我们发现即便是发展了十多年的老厂商，他们的应用成熟度并没有我们想象中的高，其低延迟技术所呈现的速度也没有我们想象中的快。如今我们的FPGA产品已经实现性能的全面赶超”， 吴哥说。

　　真刀实枪的评测，让团队看到自身处于行业中的水平和潜力，也进一步明确定位了FPGA的应用目标。

　　2021年12月，在恒生LIGHT开发者云大会上， 支持沪深双市场行情的FPGA极速行情系统正式发布，将全链路时延降至1.3微秒，穿透时延低于150纳秒。

　　恒生首席技术专家毛银杰表示，FPGA极速行情系统在可靠性和稳定性上优势明显， 系统可以支持每秒百万笔的吞吐量，并将延时标准控制在个位数纳秒级别，实现“0抖动”。

　　FPGA在金融领域的应用并没有具体的指标要求，几乎每年都有不同程度的更新。

　　为了让金融机构在该技术上有更加清晰的评判方向，基于恒生FPGA实践的经验，毛银杰近段时间向行业提出应用测试标准议题。他认为在测量方案方面，金融机构可以重点关注绝对时延测量与相对时延测量；在时间戳获取方案方面，交换机时间戳方案、高精度时间戳网卡方案、系统时间戳方案各有优势。

　　这将促进相关测评提升参考性，让测评结果更好地赋能金融IT，助力金融领域建设极速基础设施。

　　除了低延时的行情系统，FPGA在低延时的交易系统、风控系统中均有良好的表现，目前FPGA应用已经基本实现了集网络处理、编解码、算法加速等于一体的集成化可编程硬件开发平台，吴哥表示，未来将会在更多场景展开FPGA应用，并且以平台化的方式前进。

　　“未来，FPGA将基于恒生分布式低延时技术平台LDP，‘从一到多’逐步往平台化的方向发展，为专业投资者提供更多极致服务。”

恒生电子股票行情：

● 短期趋势：极度弱势行情中，投资者可暂时观望。

● 中期趋势：有加速下跌的趋势。

● 长期趋势：迄今为止，共178家主力机构，持仓量总计6.44亿股，占流通A股44.06%