近年來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，CPU正悄然升級到“CPU+”時代，CPU與GPU等其他處理器的深度融合（即異構(gòu)計算）已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。近日，“2016年全球異構(gòu)計算HSA峰會”在京召開，華夏芯、AMD、聯(lián)發(fā)科技、Imagination、LG、Synopsis、Cadence、Ceva等HSA成員單位和海內(nèi)外數(shù)十家在處理器相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈最具影響力的IP供應(yīng)商、處理器設(shè)計公司、工具供應(yīng)商、軟件及操作系統(tǒng)公司以及高校和科研院所、投資機構(gòu)等共同就異構(gòu)計算展開了討論，論壇涉及云計算與大數(shù)據(jù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、軟件無線電、AR/VR、人工智能、深度學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域。
國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室副主任莊榮文在大會致辭中表示，當(dāng)前半導(dǎo)體領(lǐng)域創(chuàng)新風(fēng)起云涌，計算技術(shù)呈現(xiàn)出全新的發(fā)展趨勢，多種計算架構(gòu)正在逐漸融合，開始進(jìn)入“大計算”時代。芯片架構(gòu)歷經(jīng)單核、同構(gòu)多核等不同時期，正向異構(gòu)多核發(fā)展，國內(nèi)外主流先進(jìn)企業(yè)均已加強對異構(gòu)芯片的研發(fā)投入。異構(gòu)多核芯片的創(chuàng)新涉及軟硬件等深層次融合創(chuàng)新，為趕超者提供了新的跑道。可以看到異構(gòu)計算作為新的重要技術(shù)趨勢，在加速了計算架構(gòu)融合的同時，也給下游整機系統(tǒng)及軟件開發(fā)帶來了重要的機遇。
國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室副主任 莊榮文講話
為何要異構(gòu)？
“異構(gòu)計算是目前世界上高性能處理器的發(fā)展趨勢，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能智慧城市等新一代技術(shù)的發(fā)展，以及人工智能、無人駕駛、AR/VR等前沿技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的CPU已經(jīng)不能滿足處理的所有要求，因此需要發(fā)展像GPU、TPU等各種各樣特定需求的處理器以及融合這些處理器的新架構(gòu)。”中國工程院院士倪光南說。
HSA協(xié)會主席John Glossner介紹稱，與傳統(tǒng)CPU處理器相比，“CPU+”或者說下一代異構(gòu)多核處理器的主要性能實現(xiàn)了幾倍甚至十幾倍的提升，可使各種電子信息產(chǎn)品更加智能便捷，續(xù)航時間更長。更重要的是，“CPU+”可以大幅降低下游廠商的開發(fā)時間，削減開發(fā)成本。因此，“CPU+”的應(yīng)用前景非常廣闊。預(yù)計在未來數(shù)年內(nèi)，“CPU+”產(chǎn)品將在電子信息產(chǎn)業(yè)的各個方面快速普及。
Imagination全球副總裁兼中國區(qū)總經(jīng)理劉國軍指出，新的應(yīng)用對高性能、高效運算的要求越來越高，深度學(xué)習(xí)在運算量很大時會有很多限制。在高性能運算同時又要求功耗低的情況下，就需要各種架構(gòu)的處理器一起工作。這些處理器做成專用芯片，滿足低功耗，但是靈活性降低；多種處理器放在一起，靈活性高，但是要整合的資源很多。解決這種矛盾就需要一個新的框架，使不同架構(gòu)的處理器放在一起實現(xiàn)高效運算，HSA應(yīng)運而生。
華夏芯CEO李科奕認(rèn)為，隨著人工智能、云計算等新應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，當(dāng)前CPU在各種處理器中的工作量已經(jīng)急劇下降，而并行計算的工作量已經(jīng)占據(jù)了整個計算平臺的80%甚至更高。因此，必然要求CPU與更為擅長并行計算的GPU、DSP、FPGA、ASIC等各種計算單元深度融合，異構(gòu)計算是當(dāng)前國際處理器發(fā)展的必然趨勢，“CPU+”時代已經(jīng)呼之欲出。
異構(gòu)計算三強鼎立
異構(gòu)計算是當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)的一個熱門詞匯，但事實上，它并不是什么新概念，早在20世紀(jì)80年代中期，異構(gòu)計算技術(shù)就誕生了，時至今日已經(jīng)開始逐步進(jìn)入計算行業(yè)的每一個領(lǐng)域，上到高端服務(wù)器、高性能計算，下到低功耗嵌入式設(shè)備(包括智能手機和平板機)，無所不在。
2006年AMD收購ATI，完成了CPU行業(yè)、GPU行業(yè)有史以來最重量級的一次整合，之后AMD便迫不及待地將高性能CPU、GPU做到同一顆芯片上，將這一項目命名為“Fusion”(融聚)。2012年AMD聯(lián)合ARM、Imagination、聯(lián)發(fā)科、德州儀器共同組建了非營利組織“全球異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)協(xié)會”（HSA Foundation），隨后吸引了三星電子、高通以及大批行業(yè)公司、科研機構(gòu)的加盟。HSA聯(lián)盟致力于建立開放的標(biāo)準(zhǔn)， 2014年發(fā)布了HSA平臺的系統(tǒng)架構(gòu)手冊1.0以及HSA程序參考手冊1.0等，希望通過這些開放標(biāo)準(zhǔn)來迅速建立HSA的生態(tài)，使它容易推廣，容易被人們接受。
當(dāng)前，全球異構(gòu)計算領(lǐng)域呈現(xiàn)三強鼎立的態(tài)勢，除了HSA聯(lián)盟，還有以IBM、Google、英偉達(dá)為主的OpenPOWER聯(lián)盟和Intel主導(dǎo)的異構(gòu)計算體系。其中，Intel公司異構(gòu)計算體系主要為其自身系列產(chǎn)品和服務(wù)器使用，在PC與高性能計算（HPC）領(lǐng)域優(yōu)勢明顯；HSA是完全開放的異構(gòu)計算聯(lián)盟，由于ARM、高通、三星等巨頭參與，在移動端（MPC）領(lǐng)域擁有顯著優(yōu)勢。OpenPOWER聯(lián)盟以IBM POWER芯片架構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，成立時間最晚，主要面向高性能計算（HPC）領(lǐng)域應(yīng)用。
倪光南院士指出：“非傳統(tǒng)廠商也在進(jìn)入這個新興市場，比如谷歌和臉書，他們主要是在人工智能、深度學(xué)習(xí)等有巨大需求潛力的領(lǐng)域推動發(fā)展新一代的處理器。谷歌認(rèn)為，AlphaGO能夠戰(zhàn)勝李世石，秘密武器就是張量處理器（TPU），使得機器的深度學(xué)習(xí)能力，在同等功耗下，處理性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)芯片。”
HSA的優(yōu)勢
“HSA的標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過一系列的決策流程，保證異構(gòu)系統(tǒng)編程的兼容性，生成一個開源式的，針對聯(lián)盟成員內(nèi)、成員外，所有人都可以免費下載的開源式的一套標(biāo)準(zhǔn)。1.0版的標(biāo)準(zhǔn)主要是針對CPU+GPU處理器，主要用于提高異構(gòu)架構(gòu)計算和編程能力的用戶使用時間。1.2版本由很多聯(lián)盟內(nèi)部公司廣泛發(fā)起，讓很多公司的處理器能夠融合到一起，這個范圍更廣泛，包括一些DSP、圖像信號處理器，以及其它加速器等。”John Glossner指出。
劉國軍介紹，“Imagination是HSA的發(fā)起者之一，也是最主要的開發(fā)者之一。如何發(fā)揮在異構(gòu)計算里面的功能？例如我們的CPU和GPU，現(xiàn)在要做一個虛擬化的功能，有兩個作用：第一，它提供了異構(gòu)整合的方便性；第二，它給下一代的安全方面提供了很好的平臺。我們的目標(biāo)是今后把我們的IP做成一個HSA IP，能夠跟其他廠家的IP能夠整合在一起，形成異構(gòu)的計算平臺或計算框架。”
“HSA有二個優(yōu)勢，第一個是開放性，第二個是在并行計算上有非常明顯的優(yōu)勢。我們提倡和鼓勵中國更多的處理器公司，包括下游廠商一起來加入HSA，就是基于開放性和共享。HSA所有的東西都是免費的，都是大家來共享、開源的，這點非常重要。” 李科奕指出，華夏芯作為全球領(lǐng)先的異構(gòu)處理器設(shè)計公司，基于自主知識產(chǎn)權(quán)的指令集、微架構(gòu)和工具鏈，提供CPU+DSP+IVP（圖像及視頻處理）三合一的“Unity”處理器IP核產(chǎn)品（包括深度定制）以及SoC芯片集成設(shè)計服務(wù)。。這次發(fā)布的64位高性能處理器基于華夏芯全自主核心技術(shù)，且支持HSA國際標(biāo)準(zhǔn)，主要面向移動通信、機器視覺、人工智能、智能終端、消費電子和物聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域。
“聯(lián)發(fā)科是HSA最原始的創(chuàng)會者之一，參與了很多標(biāo)準(zhǔn)的制定。這跟我們公司的方向是很有關(guān)系的，我們公司也采用這個生態(tài)系統(tǒng)里面很多其他公司的IP，另外我們自己發(fā)展一些IP。希望不同IP之間能夠有不同的組合，能夠各取所長。”聯(lián)發(fā)科技高級技術(shù)總監(jiān)、軟件總架構(gòu)師Roy Ju博士介紹，“應(yīng)用HSA技術(shù)，聯(lián)發(fā)科技首創(chuàng)了十核三從集架構(gòu)，并將其應(yīng)用到高端芯片聯(lián)發(fā)科技曦力X20上，再輔以CorePilot3.0技術(shù)，實現(xiàn)了高性能、低功耗和優(yōu)秀的用戶體驗。”
如何抓住異構(gòu)計算帶來的新機遇
針對如何建立完整的異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實現(xiàn)“CPU+”的可持續(xù)發(fā)展，莊榮文副主任提出了三點意見：以應(yīng)用需求推動技術(shù)創(chuàng)新；以聯(lián)合攻關(guān)推動協(xié)同創(chuàng)新，以國際合作推動開放創(chuàng)新。依托HSA全球聯(lián)盟開展創(chuàng)新、交流與協(xié)作，推動我國現(xiàn)代異構(gòu)處理器技術(shù)創(chuàng)新成果的標(biāo)準(zhǔn)化、國際化和產(chǎn)業(yè)化，培養(yǎng)一批國際化的頂尖創(chuàng)新人才。進(jìn)一步加強全球異構(gòu)計算聯(lián)盟成員單位合作，加速異構(gòu)計算與各行業(yè)的深度融合創(chuàng)新，促進(jìn)異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展，為全球范圍的新一輪經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級貢獻(xiàn)更大的力量。
從CPU向CPU+的發(fā)展，有可能引起芯片行業(yè)很多現(xiàn)行規(guī)則的改變，使得CPU設(shè)計和下一個產(chǎn)品變得更加容易集成，更加容易驗證，對開發(fā)者來講更加容易開發(fā)，而且更容易調(diào)試，更容易使用，價格也更低。面臨的市場非常龐大，所以如果HSA聯(lián)盟能夠在中國首先實現(xiàn)CPU+的目標(biāo)，不僅有利于突破傳統(tǒng)處理器的技術(shù)和產(chǎn)品，而且有可能改變?nèi)蛱幚砥鳟a(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局。國家信息化專家委常務(wù)副主任周宏仁認(rèn)為，“中國在異構(gòu)計算領(lǐng)域和國際先進(jìn)水平的差距相對要小一些，在某些方面甚至同國外處在同一條起跑線上。所以如果我們能夠超前部署，集中攻關(guān)，很有可能實現(xiàn)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。中國有世界上最大的處理器市場，目前中國每年進(jìn)口芯片2000多億美元，這樣一個市場一定可以培育出新的世界級的公司。”
工信部電子信息司司長刁石京則表示，中國在CPU等領(lǐng)域所取得的成就，為異構(gòu)計算發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同時，中國廣闊的市場和多樣性需求也為異構(gòu)計算提供了巨大的發(fā)展空間和機會。
機遇雖然存在，但筆者認(rèn)為，高端人才團(tuán)隊不足以及對異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)的重要性、急迫性認(rèn)識不足是中國把握CPU+機遇亟需重視的地方。