基于FPGA微秒級(jí)實(shí)時(shí)金融指數(shù)行情計(jì)算

中國(guó)金融市場(chǎng)已經(jīng)是全球最大的金融市場(chǎng)之一，隨著市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，金融市場(chǎng)的功能發(fā)揮日益明顯，服務(wù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的能力不斷提高。金融交易系統(tǒng)（例如股票交易系統(tǒng)）具有交易時(shí)間相對(duì)集中、交易指令和數(shù)據(jù)密集的特點(diǎn)，對(duì)交易系統(tǒng)處理速度具有很高的要求。近年來，資本市場(chǎng)的快速發(fā)展和算法交易技術(shù)（尤其是高頻交易）在全世界范圍內(nèi)的應(yīng)用，使得交易所在低交易延時(shí)領(lǐng)域面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

交易所對(duì)于交易系統(tǒng)延時(shí)測(cè)量監(jiān)控需求也越來越迫切，同時(shí)對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求也越來越高。對(duì)于交易系統(tǒng)及環(huán)節(jié)的高精度延時(shí)測(cè)量，達(dá)到近實(shí)時(shí)的分析性能基本可以準(zhǔn)確快速的監(jiān)測(cè)股票交易系統(tǒng)性能和狀態(tài)，但對(duì)于大規(guī)模實(shí)時(shí)交易數(shù)據(jù)分析，則需要達(dá)到更快的處理速度，實(shí)時(shí)性要求更高，直接關(guān)系到交易系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。傳統(tǒng)的軟件技術(shù)或以軟件為核心的軟硬件加速技術(shù)難以滿足微秒級(jí)實(shí)時(shí)分析和實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求，采用FPGA專用硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的并行加速稱為提高交易系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的迫切需求。

針對(duì)金融網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)研究而言，國(guó)外已經(jīng)預(yù)言或?qū)崿F(xiàn)了很多相關(guān)硬件加速和并行計(jì)算的FPGA實(shí)現(xiàn)，其中Altera公司2008年面向蒙特卡羅算法（QMC）的FPGA加速模型建立，對(duì)價(jià)格衍生證券的實(shí)時(shí)精確估計(jì)判斷做出了很大的促進(jìn)作用。此外，2009年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院和英國(guó)金融加速解決方案供應(yīng)商Celoxica合作，提出實(shí)現(xiàn)了一種叫“低延遲交易數(shù)據(jù)反饋計(jì)算模型”。針對(duì)現(xiàn)在越來越大的交易市場(chǎng)的變化數(shù)據(jù)（甚至超過gigabit），他們?yōu)橥顿Y者提供了網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分析的FPGA加速處理方案，利用FGPA的可配置特點(diǎn)，可選擇地實(shí)現(xiàn)對(duì)交易數(shù)據(jù)的壓縮，過濾，篩選。其性能優(yōu)越，每秒最多處理高達(dá)3.5M條信息，處理延遲也控制在微秒量級(jí)上。不但激活了投資者的投資熱情，同時(shí)也極大促進(jìn)了金融市場(chǎng)流動(dòng)性。

基于FPGA的硬件以太網(wǎng)協(xié)議跨層解析

在數(shù)據(jù)分析獲取過程中，以太網(wǎng)的協(xié)議解析占據(jù)了很大的時(shí)間比例。如果采用一般的軟件解包方法，時(shí)間一般延遲包括每一網(wǎng)絡(luò)層的解包時(shí)間和中間數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間，時(shí)間延遲可達(dá)毫秒級(jí)甚至更高?？紤]到降低整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲，進(jìn)而提升處理性能，提出以下兩種解決方案。

使用FPGA集成的可配置IP核。FPGA的IP核基于硬件原理實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解包能力上都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的軟件處理過程，而且極大縮短了開發(fā)周期，其可靠性，可配置性，通用性都相當(dāng)出色。適合在項(xiàng)目的中前期作為數(shù)據(jù)輸入的模擬測(cè)試。但是具體面向此項(xiàng)目IP核也會(huì)有自身的冗余，在MAC層不能進(jìn)行自定義的協(xié)議解析，總的延遲大約在幾十微秒至幾百微秒。

針對(duì)本應(yīng)用設(shè)計(jì)基于跨層解析的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分析模型。由于套利計(jì)算的數(shù)據(jù)源的包格式固定，封裝簡(jiǎn)單，而且屬于旁路數(shù)據(jù)，完全可以自行設(shè)計(jì)針對(duì)本應(yīng)用的專用數(shù)據(jù)解析功能部分，方案優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn)在于在MAC層跨層解析數(shù)據(jù)以及包過濾，數(shù)據(jù)接收與解析時(shí)間重疊。采用狀態(tài)機(jī)逐層進(jìn)行包過濾，在有限機(jī)器周期內(nèi)便可獲得需要計(jì)算的數(shù)據(jù)，時(shí)間延遲可控制在微秒級(jí)。

基于FPGA的硬件以太網(wǎng)協(xié)議跨層解析能夠降低傳統(tǒng)軟件協(xié)議棧的數(shù)據(jù)包處理固有延遲（可能占據(jù)整個(gè)延遲的80%以上開銷），大大提高數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理效率。

基于 FPGA 的千兆 TCP 硬協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn) TCP 與 FIFO 之間的數(shù)據(jù)連接，內(nèi)部集成了千兆以太網(wǎng) MAC 層，ARP 處理，TCP 處理等功能。RGMII 接口，直接連接 PHY 芯片，10/100/1000M 自適應(yīng)。自動(dòng)迅速的 ARP 響應(yīng)。

硬邏輯的 TCP 協(xié)議棧，具有 listen 功能，可接受 1 個(gè) TCP 連接，完整的三次握手建立

連接（syn）、數(shù)據(jù)快速重傳、?；睿╧eepalive）、窗口調(diào)整、被動(dòng)關(guān)閉（fin）等功能。 可設(shè)置 MAC 地址，IP 地址，端口號(hào)，超時(shí)時(shí)間，以用于實(shí)時(shí)性高的場(chǎng)合可配置的緩沖區(qū)大小，以滿足不同成本和性能的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出為 FIFO 接口，使用獨(dú)立的時(shí)鐘。

適用于 xilinx 的 FPGA，spartan-3 系列，spartan-6 系列，virtex-4/5/6/7 系列不同配置的性能。

實(shí)時(shí)金融指數(shù)行情計(jì)算模型與并行調(diào)度策略

研究實(shí)時(shí)金融指數(shù)（本計(jì)劃書以股票ETF50為例）股票推導(dǎo)的計(jì)算模型與計(jì)算方法，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算類型的特點(diǎn)設(shè)計(jì)專用硬件處理單元的結(jié)構(gòu)模型；

研究有限計(jì)算資源條件下的行情數(shù)據(jù)緩存與并行調(diào)度策略，研究硬件計(jì)算資源劃分與共享技術(shù)；

研究透明數(shù)據(jù)接口技術(shù)，包括輸入端旁路高速數(shù)據(jù)獲取技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法以及輸出端的應(yīng)用接口技術(shù)。

基于FPGA的并行加速技術(shù)

研究基于FPGA的硬件千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全硬件的TCP/IP協(xié)議棧解析和數(shù)據(jù)包過濾；

研究行情驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模專用套利數(shù)據(jù)處理單元結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)緩存與并行分發(fā)機(jī)制以及數(shù)據(jù)流水調(diào)度算法。

研究面向同構(gòu)計(jì)算單元（同種計(jì)算模型）和異構(gòu)計(jì)算單元（異種推導(dǎo)模型）協(xié)同的FPGA資源劃分技術(shù)，對(duì)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，在有限計(jì)算資源條件下獲得最高的并行加速性價(jià)比。

實(shí)時(shí)金融指數(shù)行情的可配置與可擴(kuò)展技術(shù)，充分考慮FPGA專用邏輯特點(diǎn)提供計(jì)算模型的配置與合約推導(dǎo)的擴(kuò)展方案。

研究實(shí)時(shí)金融指數(shù)行情數(shù)據(jù)的高速分發(fā)及應(yīng)用接口技術(shù)，采用高速傳輸總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)金融指數(shù)行情數(shù)據(jù)的提取和管理。

基于FPGA的并行加速技術(shù)方案

圖為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要由數(shù)據(jù)接收模塊、股票信息并行處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組成。數(shù)據(jù)接收模塊主要負(fù)責(zé)協(xié)議包的跨層解析以及包過濾。股票信息并行處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的算法核心，采用高速并行方式分析股票信息，計(jì)算相關(guān)指數(shù)，并通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊快速發(fā)布。在股票信息并行處理模塊中，算法定向單元負(fù)責(zé)調(diào)度下層的異構(gòu)邏輯塊，異構(gòu)邏輯塊通過同構(gòu)邏輯晶格完成最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)計(jì)算。在股票信息并行處理模塊中，將所有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于FPGA內(nèi)部的分布式RAM中，突破了IO傳輸?shù)钠款i。

圖7 FPGA計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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來源:北京太速科技有限公司