當前，全球電子信息產業(yè)重點領域競爭格局此消彼長，半導體領域創(chuàng)新風起云涌，核心芯片技術發(fā)展變革步伐進一步加快，計算呈現出全新發(fā)展趨勢，多種計算范式和架構正逐漸融合，開始進入“大計算”時代。從上世紀70年代Intel推出第一款處理器到現在，芯片架構歷經單核、同構多核等不同時期，當前正邁向異構多核時代。伴隨并行度提高，同構系統(tǒng)處理器核間的并行冗余越來越大，不可并行任務協調工作越來越多，導致系統(tǒng)性能增幅隨冗余增大接近飽和。異構多核芯片的創(chuàng)新涉及軟硬件等深層次創(chuàng)新融合與突破，是普適計算領域新熱點，也是信息產業(yè)發(fā)展重要新拐點。
全球異構計算呈現三強鼎立
異構計算系統(tǒng)有兩種實現方式：一是將多個不同類型處理器芯片通過片間集成的方式實現節(jié)點級異構計算(稱之為片間異構);二是基于單(硅)片內集成多個不同處理器內核的異構計算芯片實現，即異構計算在芯片級實現(稱之為片內異構)。第二種異構計算芯片技術是當前最新技術。
異構計算芯片是將不同架構的中央處理器CPU(Central Processing Unit)、圖形處理器GPU (Graphics Processing Unit)、數字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field Programmable Gate Array)等特定硬件加速單元依據相關技術標準和規(guī)范有機內在融合在一顆芯片上，任務由最合適的工作單元來承擔，不同異構內核之間實現協同計算。
隨著同構多核達到一定程度，通過核的堆疊提升計算性能遇到嚴重挑戰(zhàn)，芯片級異構計算能夠消除同構計算時CPU、GPU、DSP之間數據傳輸時間，大大提升計算效率，并且以良好的性能協同支持圖形處理、信息通信、人工智能、大數據等多領域應用，基于統(tǒng)一編程規(guī)范和標準，能大幅減小軟件開發(fā)編程難度、降低產品研制和維護成本。芯片級異構計算已經成為解決計算與效能瓶頸的主流技術之一。
當前，全球異構計算領域呈現三強鼎立的態(tài)勢，分別是以AMD、高通、ARM、三星、北京華夏芯等為主體的全球異構計算系統(tǒng)HSA(Heterogeneous System Architecture)聯盟，以IBM、Google、英偉達為主OpenPOWER聯盟和以Intel主導的異構計算體系。其中，Intel公司異構計算體系主要為其自身系列產品和服務使用，在PC與高性能移動計算領域優(yōu)勢明顯;HSA是完全開放的異構計算聯盟，由于ARM、高通、三星等巨頭參與，在高性能移動計算領域擁有顯著優(yōu)勢。OpenPOWER聯盟以IBM POWER芯片架構技術為基礎，成立時間最晚，主要面向高性能計算領域應用。
異構計算作為新興技術同樣面臨諸多問題和挑戰(zhàn)，例如從傳統(tǒng)同構系統(tǒng)、片間異構到片內多核異構，如何對應不同的編程方式、軟硬件架構以及生態(tài)系統(tǒng)等;對于異構計算系統(tǒng)，無論是片間異構還是片內異構，都需要考慮如何建立完善的軟硬件體系來支撐全新異構計算體系，進而解決生態(tài)問題，使下游產業(yè)鏈用戶主動采用異構計算技術。為應對以上困難及挑戰(zhàn)，在以上三強中，Intel基于其工藝、技術的先進性，在PC領域已向異構計算技術路徑發(fā)展，目前已有CPU和GPU構成的片間異構和X86加SSE(Streaming SIMD Extensions)DSP的片內異構產品，并擇機向智能終端等移動計算領域拓展。
Intel公司在2015年6月以167億美元收購全球第二大FPGA公司Altera，成為目前全球唯一具備在片內實現CPU+GPU+DSP+FPGA異構能力的公司。OpenPOWER利用Power8等芯片在高性能計算領域的技術優(yōu)勢和IBM產品的應用生態(tài)基礎，在高性能計算領域占有優(yōu)勢。OpenPOWER中CPU供應商IBM聯合GPU芯片供應商英偉達、FPGA供應商賽靈思發(fā)布了CPU+GPU+FPGA的片間異構計算系統(tǒng)，主要面向高端服務器市場。HSA主要提供片內異構多核解決方案——從片內異構IP(Intellectual Property)核到片內異構芯片，有效地解決了應用軟件的重用和互用，以開放方式合作共建全球異構計算產業(yè)生態(tài)。自2010年起，全球主流芯片廠商均加大新一代異構多核處理器芯片(片內異構)的研發(fā)力度。2015年10月，AMD發(fā)布全球第一款支持HSA標準規(guī)范的片內異構(CPU+GPU)多核桌面計算機處理器芯片;ARM和Imagination預期在2016年推出支持HSA架構的異構處理器IP核;我國華夏芯已發(fā)布支持HSA處理器系列工具鏈，并即將發(fā)布基于CPU、GPU、DSP的三核異構處理器內核的IP核及產品;聯發(fā)科發(fā)布了片內異構處理器的路線圖;高通、三星以及英偉達和IBM正在合作研發(fā)片內異構處理器產品。
由此可見，異構處理器大規(guī)模應用的爆發(fā)期即將到來。預計未來全球范圍內，在手機、平板及其他嵌入式芯片等高性能移動計算領域，異構多核芯片市場規(guī)模約20億片，銷售額約400億美元;在臺式電腦、筆記本電腦及工業(yè)控制等個人及專業(yè)計算機領域，市場規(guī)模約3億片，銷售額約550億美元;在大數據、人工智能等高性能計算機領域，市場規(guī)模約1000萬片，銷售額約200億美元。當前，全球正在研發(fā)片內異構處理器IP核的公司主要有ARM、Imagination和北京華夏芯，已經推出或者計劃推出異構多核處理器芯片的企業(yè)主要有AMD、Intel、高通、英偉達等。
全球HSA、OpenPOWER等異構計算產業(yè)聯盟其主要目標有兩個：一是主導制定與異構計算相關行業(yè)標準、規(guī)范，推動產品互操作性測試和驗證;二是聯盟成員合作共建異構計算全球應用生態(tài)，共同抗衡Intel公司在異構計算領域強大優(yōu)勢。目前異構計算領域在全球影響最大、最先推出產品的HSA聯盟是2012年由美國AMD公司發(fā)起，由約60家處理器設計、工具設計、軟件設計等公司以及大學等科研機構共同組成。該聯盟成員有AMD、ARM、高通、三星、聯發(fā)科、德州儀器、Imagination、LG、華夏芯、華為等公司。聯盟主要目標是：主導制定異構計算相關行業(yè)標準與規(guī)范，推動產品互操作性測試和驗證;聯盟成員合作共建異構計算全球應用生態(tài)。基于HSA頒布的軟硬件系列接口標準和規(guī)范，業(yè)界可以設計非常豐富的產品，幾乎覆蓋了從低功耗嵌入式、智能終端、平板電腦、PC桌面系統(tǒng)到云端服務器等絕大多數設備。華夏芯在HSA聯盟中首次提出將DSP納入HSA系統(tǒng)構架及編譯支撐，為異構系統(tǒng)的擴展做出了重要貢獻。
將推動我國高端芯片產業(yè)
異構多核計算芯片及系統(tǒng)可廣泛應用于高性能計算機、桌面計算機、智能終端等消費類電子產品以及裝備制造、國防軍工等各領域。
首先，異構多核計算芯片具有優(yōu)勢。與傳統(tǒng)同構多核計算芯片相比，異構多核計算芯片優(yōu)勢主要體現在如下方面：一是性能與功耗優(yōu)勢。在同等功耗條件下，異構多核計算芯片大幅提升計算效能。二是產品開發(fā)優(yōu)勢。異構多核計算芯片基于嚴謹標準體系，不同種類處理器單元之間能有機融合和對接，大幅降低產品開發(fā)門檻，使更多開發(fā)者可加入應用和產品開發(fā)創(chuàng)新。三是差異化創(chuàng)新優(yōu)勢。在兼容相關標準前提下，異構計算鼓勵芯片設計人員自由選擇處理器單元，甚至可以設計自主的處理器和指令集，從而給處理器創(chuàng)新創(chuàng)造巨大空間。四是生態(tài)構建優(yōu)勢。異構計算芯片在軟、硬件之間實現解耦，不同廠商芯片部件之間實現無縫對接和整合，在生態(tài)共建方面具有著巨大優(yōu)勢，大幅降低傳統(tǒng)單核與同構多核時代生態(tài)瓶頸所帶來的研發(fā)障礙。
其次，芯片級異構計算推動我國高端芯片產業(yè)發(fā)展。高端芯片是軟硬件創(chuàng)新基石，盡管我國已獲得了Power、ARM、MIPS等架構授權，但設計高端芯片所需IP不夠豐富，我國相關技術團隊對其獲授權架構尚不能實現完全解構。如不能完全掌握IP核技術，那么一旦授權中止，仍存在斷貨及安全風險，因此目前不能算自主可控。同時我國雖已在MIPS等指令集核心芯片上取得一定技術與市場進展，但后續(xù)生態(tài)環(huán)境的建設仍面臨巨大挑戰(zhàn)。指令集并沒有優(yōu)劣之分，任何一個完備指令集都能夠用來編程實現用戶給定的任務，生態(tài)環(huán)境建設是指令集優(yōu)劣唯一評價標準。 國產高端芯片所要進入的市場是傳統(tǒng)處理器大廠已經幾乎壟斷的市場，在市場和技術競爭日益激烈的今天，選擇非主流技術路線就意味著脫離了生態(tài)環(huán)境大家庭，注定沒有發(fā)展出路。唯有兼容主流，依靠其生態(tài)、發(fā)展其生態(tài)，才能使國產處理器站在一個比較高的起點上，具備與國際廠商同臺競技的資格。當前，處理器對生態(tài)系統(tǒng)的依賴從PC開始逐步減弱。
因此，從工控市場、手機、智能電視、車載終端到高端服務器和存儲設備，國產高端芯片生態(tài)系統(tǒng)的問題都能夠相對容易解決。隨著HSA的建立與發(fā)展，HSA框架下的生態(tài)問題變得越來越小。在HSA框架下，生態(tài)系統(tǒng)支持由包括ARM、AMD、高通、Imagination、聯發(fā)科、華夏芯等數十家芯片公司在內的HSA直接提供，無需開發(fā)獨立生態(tài)系統(tǒng)。當前，CPU+GPU+DSP+FPGA的異構融合是芯片領域的主流發(fā)展趨勢之一，這對我國芯片產業(yè)既是挑戰(zhàn)又是機遇，需進一步加大布局，盡快推動異構計算芯片技術與產業(yè)生態(tài)建立。
發(fā)展異構多核計算芯片技術與產業(yè)，第一，可以擺脫我國在傳統(tǒng)架構芯片上與Intel等國外主流芯片廠商競爭的不利局面。在異構處理器芯片上，我國與國外主流處理器廠商處在同一起跑線上，共同參與新一代異構多核處理器的設計、測試與應用。第二，可以實現異構多核處理器與國產操作系統(tǒng)的無縫對接與共同支撐，基于國產操作系統(tǒng)和國產異構多核處理器，形成牢固支撐中國信息安全的技術和產業(yè)平臺。第三，可以構建由中國主導的異構計算應用生態(tài)系統(tǒng)。借助我國在市場、應用等方面優(yōu)勢地位和影響力，形成完全自主可控國產高端處理器生態(tài)系統(tǒng)，推進產業(yè)自主創(chuàng)新，兼容并蓄，使之成為國際主流的技術路徑和生態(tài)體系。
應加快推進我國異構計算產業(yè)實力
我國目前除華夏芯、華為和江南計算技術研究所外，尚無其他從事完全自主知識產權異構多核芯片設計公司。當前我國發(fā)展芯片級異構計算技術與產業(yè)存在追蹤片內異構計算的大學和企業(yè)少、投入不足、整個產業(yè)鏈基礎薄弱、缺乏高端人才等諸多問題。
近二十年來，我國開展多個核心處理器研究項目，取得了包括龍芯、申威、飛騰、眾志、兆芯、中晟宏芯等一系列國產處理器成果，覆蓋了幾乎國際上所有主流、非主流的指令架構。例如：中科院龍芯以MIPS核心架構為基礎開發(fā)了一系列高端處理器，江南計算技術研究所研制的申威處理器，我國電子信息產業(yè)集團有限公司生產基于ARM V8指令集的FT-1500A系列處理器，上海兆芯收購了我國臺灣威盛VIA的X86技術和梯隊，研發(fā)基于Intel X86構架超標量CPU處理器，蘇州中晟宏芯參加OpenPOWER聯盟，研制了IBM Power 8 CPU。以上成果主要集中在傳統(tǒng)同構計算處理器領域，與國外同構計算處理器最高水平差距約在一代左右。
在芯片級異構計算領域，目前華夏芯、華為、江南計算技術研究所正在開展自主知識產權異構處理器設計研發(fā)。其中，華為主要以ARM異構計算處理器核為基礎設計異構計算芯片和下游產品。江南計算技術研究所研制了“申威-3”高性能異構眾核處理器，是國際上首款萬億次片上融合異構眾核處理器，成功應用于“神州VI”超級計算機。華夏芯公司設計的CPU+GPU+DSP芯片IP核平臺，從指令集、微架構到工具鏈具有完全自主知識產權，在高性能移動計算領域處于國際領先地位。
長期以來，我國在半導體芯片領域主要遵循跟隨戰(zhàn)略，導致在核心技術領域自主創(chuàng)新能力弱，缺乏話語權。例如，對異構處理器新技術不敏感，沒有及時跟進HSA的硬件、過渡語言和并行編程軟件的路線圖與協議等。
一是對異構計算芯片的重要性認識不足，相關研發(fā)機構少。片內異構多核計算芯片是構建中國處理器產業(yè)全球優(yōu)勢的重要機遇，但國內除華夏芯、華為、江南計算技術研究所等少數企事業(yè)單位外，大部分處理器設計企事業(yè)單位仍在花巨資許可、引進、研發(fā)傳統(tǒng)同構多核計算架構。這可能導致異構多核計算核心專利、生態(tài)系統(tǒng)被國外巨頭搶先布局和壟斷，阻礙我國核心芯片技術突破和創(chuàng)新。
二是異構計算系統(tǒng)技術包括芯片、總線及接口、編程工具、存儲管理、應用軟件技術等等。異構多核芯片原始創(chuàng)新投入大，一般企業(yè)承受力有限。在核心技術諸如異構多核架構指令集、微架構、工具鏈設計等環(huán)節(jié)需投入大量資金和時間以實現自主知識產權突破，導致企業(yè)自身壓力大。三是對異構多核高端處理器芯片領域的新態(tài)勢、新商業(yè)模式研究較少，不擅長利用全球高端處理器芯片開放技術、標準資源。我國到目前為止尚未有效實現利用自身巨大市場和用戶資源優(yōu)勢影響全球高端處理器芯片相關聯盟朝著對我國技術和產業(yè)突破有利的方向發(fā)展。
四是發(fā)展異構多核高端芯片，需要一流的技術人才支撐，而我國大部分高端處理器芯片設計企業(yè)起點低、基礎薄弱，缺乏核心技術領軍人才和高端設計人才。我國高端處理器芯片產業(yè)需在全球范圍內吸納高端技術與產業(yè)領軍人才。
借船出海 建立產業(yè)生態(tài)
異構計算并不容易，筆者建議應從以下幾個方面著手。
首先，以芯片級異構計算技術推動高端芯片產業(yè)發(fā)展。異構計算芯片非常好地支持了全球信息技術領域計算與通信、軟件與硬件、高性能與低功耗等不同領域技術融合發(fā)展趨勢。目前我國高端處理器芯片設計企業(yè)基礎薄弱，缺乏核心技術，沒有形成合力，僅憑自身實力無法與國際主流廠商對等抗衡。芯片級異構計算技術是一個重要的發(fā)展機遇，依托HSA全球聯盟，建立有利于我國的優(yōu)勢生態(tài)，可迅速推動我國高端芯片技術與產業(yè)的發(fā)展，后發(fā)趕超。我們應當抓住這一處理器領域千載難逢的創(chuàng)新和發(fā)展機遇，積極把片內異構計算與我國高端處理器芯片技術的發(fā)展、工業(yè)4.0、互聯網+以及大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新緊密結合。
其次，以異構計算芯片推動端計算融合發(fā)展。當前，新一代信息技術加速向生產性服務業(yè)滲透，推動互聯網與工業(yè)融合創(chuàng)新，并驅動傳統(tǒng)信息領域企業(yè)加速向實體經濟轉型。端計算體系相關技術與產品正向形態(tài)多樣、高效智能、全面滲透的方向融合發(fā)展，由此對端計算芯片也提出更高性能需求(需要既能滿足計算密集應用，也能滿足數據密集應用的需求)。
異構計算芯片將海量數據級并行作業(yè)從過去由CPU承擔分配到GPU和DSP中運行，并讓CPU、GPU、DSP處理器之間實現協同計算，消除過去同構計算時CPU、GPU、DSP之間數據同步和傳輸開銷，從而數十倍提升計算效能。片內異構計算芯片既能滿足計算密集型高性能計算應用的需求，也能滿足數據密集型事物處理應用的需求，可作為發(fā)展端計算技術體系的重要核心技術。
再次，依托HAS借船出海，建立高端芯片產業(yè)生態(tài)。我國應積極參與全球異構計算產業(yè)聯盟和標準的各項研究、共建項目。2010年后，異構計算技術與產業(yè)才在全球發(fā)展，雖然美國在芯片領域有更多的技術、市場與生態(tài)優(yōu)勢，但參與、主導并推廣HSA讓我們有機會和美國站在異構計算同一個起跑線上。當前，華夏芯已經成為HSA的董事、發(fā)起人(Promoter)，2015年10月21日，華夏芯公司副總當選為HSA總裁。通過HSA聯盟借船出海，依托全球對抗Intel產業(yè)力量，面向兼容標準構建高端芯片自主核心技術產業(yè)生態(tài)是可行途徑。
最后，盡快籌建我國新一代異構多核計算芯片產業(yè)聯盟。當前，我國應積極籌建新一代異構多核計算芯片產業(yè)聯盟，打造有利于我國自主發(fā)展和主導的國際化生態(tài)應用系統(tǒng)。異構計算產業(yè)分工細，在專用領域技術門檻高，創(chuàng)新空間大，這些特征非常有利于我國的相關企業(yè)和研究單位的共同參與，發(fā)揮我國在軟件應用與(集成電路)定制芯片方面的群體優(yōu)勢，提升異構計算產業(yè)在全球的份額和地位;同時，構建我國異構計算產業(yè)聯盟和標準平臺也將為相關企業(yè)參與國際一流的技術創(chuàng)新和產業(yè)協作提供了前所未有的舞臺。