英特爾? 軟硬件，讓金證極速交易系統(tǒng)“起飛”

"

我們攜手英特爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)，顯著降低了交易系統(tǒng)的延遲并解決了風(fēng)控系統(tǒng)的瓶頸，尤其是英特爾 oneAPI 統(tǒng)一編程模型讓我們實(shí)現(xiàn)了跨架構(gòu)的靈活性，一套代碼就能夠同時支持 CPU 并行和 GPU 并行兩種場景，讓開發(fā)效率得到顯著提升。我們將進(jìn)一步攜手推進(jìn)金證極速交易系統(tǒng)的優(yōu)化，推進(jìn)產(chǎn)品信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，賦能金融業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

— 何萬剛

金證股份雙基石產(chǎn)品總部

機(jī)構(gòu)交易產(chǎn)品線總經(jīng)理

"

概述

伴隨著改革開放金融體制的不斷更新和完善，證券行業(yè)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的勢態(tài)，證券市場規(guī)模逐步擴(kuò)大，投資者數(shù)量不斷增加，交易量屢創(chuàng)新高，同時，交易品種也不斷地豐富。在這一市場環(huán)境下，借助于金融衍生品策略的私募基金受到了普遍歡迎。這種金融衍生品交易策略常常涉及多品種、跨市場的交易，由于策略的復(fù)雜性，交易的實(shí)現(xiàn)常常依賴于程序化、量化交易等平臺，并且為了捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的套利機(jī)會，對交易速度要求非常高，需要運(yùn)用先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，最大限度地提升交易通道的速度，協(xié)助套利策略的實(shí)現(xiàn)。

作為證券行業(yè)核心交易 IT 供應(yīng)商，深圳市金證科技股份有限公司（以下簡稱：金證）推出了滿足業(yè)務(wù)技術(shù)發(fā)展、監(jiān)管風(fēng)控合規(guī)要求的先進(jìn)、開放、穩(wěn)定的金證極速交易系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提升交易系統(tǒng)的處理速度，金證與英特爾合作，將處理器升級為第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器，并采用英特爾 oneAPI 中的 VTune Profiler 可視化性能分析工具消除性能瓶頸，將委托業(yè)務(wù)的延遲降低了超過 26%¹ 。同時，為了保證交易安全、提升風(fēng)控效率，金證還使用英特爾 oneAPI DPC++ 進(jìn)行代碼重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)控指標(biāo)的并行化處理，并應(yīng)用 ICPX 編譯器調(diào)用 oneTBB 以及 AVX512 SIMD 指令集進(jìn)行加速，取得風(fēng)控效率提升最高超過 90 倍的效果² 。

金證極速交易系統(tǒng)

在開展策略交易的高端客戶中，以機(jī)構(gòu)投資者為主，其中私募基金占了重要的比重。近年來，伴隨著金融市場的活躍，私募基金迎來了爆發(fā)式的增長。中國證券投資基金業(yè)協(xié)會發(fā)布的私募基金管理人登記及產(chǎn)品備案月報顯示，截至 2023 年 7 月末，私募基金管理總規(guī)模達(dá)到 20.82 萬億元³ ，較 6 月末的 20.77 萬億元⁴增長 500 億元，增幅為 0.24%⁵ 。

同時，隨著投資工具的豐富，私募基金的投資策略多樣化起來，阿爾法策略、套利策略、相對價值策略、管理期貨策略等借助于金融衍生品的策略受到歡迎，并且在當(dāng)今市場環(huán)境下取得了不錯的收益。要捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的交易機(jī)遇，就需要通過證券交易系統(tǒng)，執(zhí)行程序化、量化交易。因此，證券交易系統(tǒng)的交易速度在很大程度上影響了套利策略的實(shí)現(xiàn)能力。

作為證券行業(yè)核心交易 IT 供應(yīng)商，金證自 2012 年起開始投身于新一代極速交易系統(tǒng)研發(fā)中。金證推出的極速交易系統(tǒng)是針對需要做高頻率、極速交易的機(jī)構(gòu)投資者而開發(fā)的一套極速交易系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于交易與清算分離原則，采用全內(nèi)存、低延時等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)微秒級交易處理及交易查詢，提供訂單委托、委托撤單、成交回轉(zhuǎn)、實(shí)時委托查詢、實(shí)時成交查詢等高實(shí)時性的交易相關(guān)功能。該系統(tǒng)能夠支持程序化交易、算法交易、高頻交易等新型、專業(yè)化投資交易手段的便利接入。

金證極速交易系統(tǒng)整體基于金證微架構(gòu)技術(shù)平臺開發(fā)，采用多活架構(gòu)與組件化理念設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的靈活擴(kuò)展；系統(tǒng)支持主備、多活等多種部署模式，基于 Raft 一致性算法，可實(shí)現(xiàn)主備、容災(zāi)之間的自動切換，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)和系統(tǒng)多活。系統(tǒng)在原有技術(shù)架構(gòu)基礎(chǔ)上，新增獨(dú)立的新極速模塊，新極速模塊僅完成委托申報和成交回轉(zhuǎn)功能，減少線程切換，性能實(shí)現(xiàn)突破性飛躍。

圖 1. 金證極速交易系統(tǒng)架構(gòu)

挑戰(zhàn)：優(yōu)化風(fēng)控計算，提升交易速度

在證券交易中，性能對于交易速度、客戶體驗(yàn)都帶來了重要影響，金證希望通過極速交易系統(tǒng)的性能優(yōu)化，化解以下挑戰(zhàn)：

挑戰(zhàn) 1：如何進(jìn)一步降低極速交易系統(tǒng)的延遲、加快交易速度

核心交易系統(tǒng)委托處理延遲越低，交易策略功能越強(qiáng)大，對券商系統(tǒng)競爭有極其重要的作用。金證極速交易系統(tǒng)通過新極速模塊的加入，在延遲上已經(jīng)取得了很大的突破，為了進(jìn)一步降低延遲，金證不斷探索新的軟硬件創(chuàng)新路徑。

從金證極速交易系統(tǒng)的極速訂單流程來看，其包含了接入、業(yè)務(wù)、報盤、內(nèi)存庫等主要進(jìn)程，這些進(jìn)程對于 CPU 的性能非常敏感，通過提升 CPU 的性能，將有助于加快上述進(jìn)程的處理速度，從而降低整體交易延遲。

挑戰(zhàn) 2：如何化解風(fēng)控系統(tǒng)性能瓶頸，提升執(zhí)行效率

金證發(fā)現(xiàn)，目前風(fēng)控系統(tǒng)的性能瓶頸集中在風(fēng)控指標(biāo)計算方面。由于證券交易涉及到多種環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)速度的提升依賴于多種因素，其中很重要的一個環(huán)節(jié)是風(fēng)控：出于監(jiān)管要求，對于程序化交易用戶而言，交易指令都需要進(jìn)行充分的業(yè)務(wù)檢查。除了驗(yàn)資、驗(yàn)券等基礎(chǔ)的風(fēng)控檢查外，杜絕和防范異常交易行為也是風(fēng)控的重要目標(biāo)。

目前業(yè)界普遍采用 “軟件數(shù)據(jù)庫” 的風(fēng)控方案，風(fēng)控計算中，每個指標(biāo)的計算量都很大，且大多采用的是串行計算模式。隨著風(fēng)控規(guī)則指標(biāo)越來越多、風(fēng)控的執(zhí)行效率越來越低，風(fēng)控環(huán)節(jié)需要耗費(fèi)較長的時間，有的指標(biāo)耗時達(dá)到秒級甚至分鐘級別，不能及時、準(zhǔn)確地進(jìn)行風(fēng)控。

要優(yōu)化風(fēng)控指標(biāo)計算，存在架構(gòu)約束 — 包含進(jìn)程模型，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型以及持久化方式，其挑戰(zhàn)包括：

原風(fēng)控計算程序會根據(jù)定時器的觸發(fā)計算風(fēng)控指標(biāo)，每次計算前會獲得計算循環(huán)次數(shù)，例如有多少個賬戶就循環(huán)多少次。在計算指標(biāo)時，會訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，計算過程和內(nèi)存訪問都是串行執(zhí)行的，因此性能較差。 跟原風(fēng)控的串行相比，通過多線程的 CPU 并行優(yōu)化有助于提升性能，但是，CPU 并行需要考慮對整個交易系統(tǒng)的影響，如風(fēng)控服務(wù)不能影響交易服務(wù)，對于部分有數(shù)據(jù)依賴的指標(biāo)，多線程并行計算存在潛在的危險。

解決方案：基于英特爾 技術(shù)的金證極速交易系統(tǒng)優(yōu)化方案

為進(jìn)一步增強(qiáng)性能，金證持續(xù)對極速交易系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，該優(yōu)化主要從降低極速交易系統(tǒng)的延遲、提升風(fēng)控指標(biāo)計算速度這兩方面進(jìn)行。

優(yōu)化 1：優(yōu)化極速交易系統(tǒng)延遲

為降低極速交易系統(tǒng)的延遲，金證進(jìn)行了軟硬件一體協(xié)同優(yōu)化。在硬件方面，金證將極速交易系統(tǒng)服務(wù)器的處理器從第二代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器升級為第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器，以利用新一代處理器具備的卓越性能。在軟件方面，金證將極速交易系統(tǒng)升級到 3.5 版本，在極速模塊等方面進(jìn)行了新的優(yōu)化，隨后，金證還采用英特爾 VTune Profiler 對程序熱點(diǎn) (hot spots) 進(jìn)行分析，結(jié)合處理器的特性和架構(gòu)進(jìn)行深度調(diào)優(yōu)。英特爾 VTune Profiler 用于收集軟件的性能信息，識別和分析調(diào)用棧 (call stacks) 中的熱點(diǎn)，以找到系統(tǒng)中存在的性能瓶頸，更大程度地提高性能。

第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器通過創(chuàng)新架構(gòu)增加了每個時鐘周期的指令，每個插槽多達(dá) 60 個核心，支持 8 通道 DDR5 內(nèi)存，有效提升了內(nèi)存帶寬與速度，并通過 PCIe 5.0（80 個通道）實(shí)現(xiàn)了更高的 PCIe 帶寬提升。第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器提供了出色性能和安全性，可根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò) 展。借助內(nèi)置的加速器，用戶可以在 AI、分析、云和微服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、存儲等類型的工作負(fù)載中獲得優(yōu)化的性能。通過與強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合，第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器能夠幫助用戶構(gòu)建更加高效、安全的基礎(chǔ)設(shè)施。

在性能驗(yàn)證中，金證極速交易系統(tǒng)采用了英特爾 至強(qiáng) 金牌 6444Y 處理器。該處理器提供了多達(dá) 16 個核心、32 個線程，使其將部分核心與交易服務(wù)綁定之外，還能夠有充足的核心分配給風(fēng)控服務(wù)，保證性能的釋放。

本次驗(yàn)證針對普通委托業(yè)務(wù)和查詢業(yè)務(wù)，完成了極速訂單性能測試。測試數(shù)據(jù)如圖 2 所示，對比采用第二代處理器的極速交易系統(tǒng) 3.0，采用新一代處理器的極速交易系統(tǒng) 3.5 通過版本迭代、 硬件升級與軟件調(diào)優(yōu)，將委托業(yè)務(wù)的延遲降低超過 26%⁶ 。

圖 2. 普通買入委托上行延遲性能比較 (TPS = 5000) ⁷

優(yōu)化 2：通過并行計算提升風(fēng)控計算效率

如上文所述，在原系統(tǒng)的風(fēng)控計算中，計算過程和內(nèi)存訪問都是串行執(zhí)行的，因此性能較差。如果能將串行計算改為并行計算，同時減少對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的訪問，那么性能會有望得到顯著提升。為此，金證決定重新設(shè)計程序內(nèi)的執(zhí)行流和數(shù)據(jù)流，更好地利用CPU 與 GPU 來實(shí)現(xiàn)并行的風(fēng)控計算，這需要考慮如下限制：

首先，要能兼顧原風(fēng)控邏輯。即使 GPU 風(fēng)控計算程序失效，原風(fēng)控程序仍然能生效； 其次，系統(tǒng)要能夠靈活使用 CPU 或 GPU 來運(yùn)行風(fēng)控計算，以滿足客戶的不同需求； 最后，要考慮代碼的可維護(hù)性，同一份代碼可兼顧 CPU 和GPU。

綜合以上考慮，金證采用英特爾 oneAPI 庫進(jìn)行新的風(fēng)控計算開發(fā)工作。oneAPI 提供了一個適用于各類計算架構(gòu)的統(tǒng)一編程模型，應(yīng)用程序的開發(fā)者只需要開發(fā)一次代碼，就可以讓代碼在跨平臺的異構(gòu)系統(tǒng)上執(zhí)行，底層的硬件架構(gòu)可以是 CPU、GPU、FPGA。這意味著，使用 oneAPI 開發(fā)新的風(fēng)控計算，可以直接支持 CPU 并行和 GPU 并行兩種場景。

金證采用 oneAPI 庫來對風(fēng)控計算的執(zhí)行流和數(shù)據(jù)流進(jìn)行優(yōu)化。原風(fēng)控服務(wù)的執(zhí)行流和數(shù)據(jù)流都是簡單的串行，對每個指標(biāo)計算，首先從內(nèi)存數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，然后計算，最后將結(jié)果寫入到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。而新的風(fēng)控服務(wù)則從以下三個步驟入手進(jìn)行了優(yōu)化：

（1）數(shù)據(jù)讀取

新風(fēng)控進(jìn)程計算時不再訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，而是同新極速進(jìn)程一致，直接訪問共享內(nèi)存，將共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)卸載到 GPU 設(shè)備上。針對硬件設(shè)備沒有足夠存儲空間容納風(fēng)控數(shù)據(jù)的情況，系統(tǒng)提供了兩種卸載策略：第一種，如果存儲空間足夠，則將風(fēng)控數(shù)據(jù)一次性卸載到 GPU 上計算；第二種，如果存儲空間不夠，則需要將數(shù)據(jù)分批次卸載到 GPU 上計算。

（2）并行計算

使用 Data Parallel C++ (DPC++) 編程模型和 SYCL 模型，編寫并行代碼，通過使用特定的并行構(gòu)造（如 parallel_for）來實(shí)現(xiàn)并行計算。此外，還可以使用向量化指令來利用硬件的 SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）能力，從而在單個指令中處理多個數(shù)據(jù)項(xiàng)。

（3）結(jié)果處理

新風(fēng)控進(jìn)程將計算的結(jié)果，寫到共享內(nèi)存供新極速進(jìn)程使用，寫到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫供原極速進(jìn)程使用。

圖 3. 金證極速交易系統(tǒng)風(fēng)控模塊實(shí)時觸發(fā)風(fēng)險指標(biāo)計算

金證極速交易系統(tǒng) 3.5 新風(fēng)控進(jìn)程的測試數(shù)據(jù)如圖 4 所示，使用CPU 并行策略之后，個股集中度指標(biāo)計算時間最高可降低超過94%，效率提升超過 90 倍⁸。

圖 4. 個股集中度指標(biāo)計算用時測試數(shù)據(jù)（100 客戶各持有1000 只證券）⁹

收益

在經(jīng)過優(yōu)化之后，金證極速交易系統(tǒng)有效提高了極速交易與風(fēng)控計算的效率，為用戶帶來如下收益：

• 提升了全鏈路的交易速度，在瞬息萬變的證券市場環(huán)境中，幫助客戶敏銳抓住轉(zhuǎn)瞬即逝的市場機(jī)遇，推動獲利的最大化。

• 通過英特爾 oneAPI 的統(tǒng)一編程模型直接支持 CPU并行和 GPU 并行兩種場景，提升了方案的靈活性，能夠滿足不同客戶與場景的需求。

• 有效釋放了硬件潛力，特別是當(dāng)升級到第四代英特爾至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器之后，能夠?qū)⑾到y(tǒng)性能提升到新的高度。

展望

IDC 發(fā)布的《中國證券業(yè) IT 解決方案市場份額，2021：市場永不眠，核心交易系統(tǒng)波瀾再起》報告顯示，2021 年，中國證券業(yè) IT 解決方案市場規(guī)模約為 45 億元，中國證券業(yè)核心交易系統(tǒng)市場規(guī)模約為 11.72 億元¹⁰。金證股份作為證券業(yè) IT 解決方案市場主要廠商之一，在中國證券業(yè) IT 解決方案市場份額、中國證券業(yè)核心交易系統(tǒng)市場份額中占有率位居前列。

通過采用英特爾 oneAPI 統(tǒng)一編程模型進(jìn)行優(yōu)化，并搭載第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器，金證極速交易系統(tǒng)的性能得以“更上一層樓”，能夠有效提升交易通道的速度，協(xié)助套利策略的實(shí)現(xiàn)。雙方將在未來進(jìn)行深度合作，探索如何進(jìn)一步利用第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器搭載的創(chuàng)新技術(shù)，釋放硬件潛能，助力打造更加卓越的極速交易系統(tǒng)，幫助用戶獲得更高收益。

附錄：金證極速交易系統(tǒng) 3.5 推薦配置
處理器	英特爾 至強(qiáng) 金牌 6444Y 處理器
內(nèi)存	256 GB
網(wǎng)卡	低時延網(wǎng)卡
軟件	金證極速交易系統(tǒng) 3.5

參考資料：

1 金證科技截至 2023 年 7 月的內(nèi)部測試結(jié)果。測試配置 — 基準(zhǔn)配置：英特爾 至強(qiáng) 金牌 6250 處理器，128 GB 總內(nèi)存，RHEL7.5；新配置：英特爾 至強(qiáng) 金牌 6444Y 處理器，256 GB 總內(nèi)存，RHEL 7.5，通過比較 TPS = 5000 時兩種配置的普通買入委托上行延遲性能中位數(shù)結(jié)果得出。英特爾并不控制或?qū)徲嫷谌綌?shù)據(jù)。請您審查該內(nèi)容，咨詢其他來源，并確認(rèn)提及數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

2 金證科技截至 2023 年 7 月的內(nèi)部測試結(jié)果。測試配置 — 原風(fēng)控進(jìn)程配置：英特爾 至強(qiáng) 金牌 6250 處理器，128 GB 總內(nèi)存，RHEL 7.5；新風(fēng)控進(jìn)程配置：英特爾 至強(qiáng) 金牌 6444Y 處理器，256 GB 總內(nèi)存，RHEL 7.5。英特爾并不控制或?qū)徲嫷谌綌?shù)據(jù)。請您審查該內(nèi)容，咨詢其他來源，并確認(rèn)提及數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

3https://www.amac.org.cn/researchstatistics/report/zgsmjjhysjbg/202308/P020230818629745714316.pdf

4https://www.amac.org.cn/researchstatistics/report/zgsmjjhysjbg/202307/P020230727632823396771.pdf

5 通過對比 2023 年 6 月和 7 月的數(shù)據(jù)計算得出。

6,7 金證科技截至 2023 年 7 月的內(nèi)部測試結(jié)果。測試配置 — 基準(zhǔn)配置：英特爾 至強(qiáng) 金牌 6250 處理器，128 GB 總內(nèi)存，RHEL 7.5；新配置：英特爾 至強(qiáng) 金牌 6444Y 處理器，256 GB 總內(nèi)存，RHEL 7.5，通過比較 TPS = 5000 時兩種配置的普通買入委托上行延遲性能中位數(shù)結(jié)果得出。英特爾并不控制或?qū)徲嫷谌綌?shù)據(jù)。請您審查該內(nèi)容，咨詢其他來源，并確認(rèn)提及數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

8,9 金證科技截至 2023 年 7 月的內(nèi)部測試結(jié)果。測試配置 — 原風(fēng)控進(jìn)程配置：英特爾 至強(qiáng) 金牌 6250 處理器，128 GB 總內(nèi)存，RHEL 7.5；新風(fēng)控進(jìn)程配置：英特爾 至強(qiáng) 金牌 6444Y 處理器，256 GB 總內(nèi)存，RHEL 7.5。英特爾并不控制或?qū)徲嫷谌綌?shù)據(jù)。請您審查該內(nèi)容，咨詢其他來源，并確認(rèn)提及數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

10 數(shù)據(jù)援引自 IDC 發(fā)布《中國證券業(yè) IT 解決方案市場份額，2021：市場永不眠，核心交易系統(tǒng)波瀾再起》。