隨著近幾年天河2號和神威太湖之光相繼在全球超級計(jì)算機(jī)公布的TOP500刷榜。在超級計(jì)算方面異構(gòu)計(jì)算已經(jīng)基本取代了同構(gòu)計(jì)算，而且隨著Intel著力發(fā)展CPU+FPGA，AMD大力研發(fā)CPU+GPU，異構(gòu)計(jì)算也將越來越多的進(jìn)入人們的視野。在國外公司積極布局異構(gòu)計(jì)算的同時(shí)，國內(nèi)公司也不甘落后。日前，中國華夏芯公司宣布，其異構(gòu)計(jì)算處理器IP核已經(jīng)在硅片上成功實(shí)現(xiàn)，并已通過HSA（異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)）一致性測試。公司還宣布了新的機(jī)器學(xué)習(xí)和深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開源項(xiàng)目，旨在進(jìn)一步推動(dòng)HSA異構(gòu)計(jì)算的發(fā)展。
目前，在HSA協(xié)會的推動(dòng)下，異構(gòu)計(jì)算有向越來越多的領(lǐng)域侵蝕的趨勢。那么，什么是異構(gòu)計(jì)算？發(fā)展前景究竟如何？中國首個(gè)異構(gòu)計(jì)算處理器又憑什么在業(yè)界處于領(lǐng)先地位呢？
什么是異構(gòu)計(jì)算
同構(gòu)計(jì)算是使用相同類型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元組成系統(tǒng)的計(jì)算方式。而異構(gòu)計(jì)算主要是指使用不同類型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元組成系統(tǒng)的計(jì)算方式，常見的計(jì)算單元類別包括CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA等。異構(gòu)計(jì)算用簡單的公式可以表示為“CPU+XXX”。舉例來說，AMD著力發(fā)展的APU就屬于異構(gòu)計(jì)算，用公式表示就是CPU+GPU。
由于術(shù)業(yè)有專攻，CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA各有所長，在一些場景下，引入特定計(jì)算單元，讓計(jì)算系統(tǒng)變成混合結(jié)構(gòu)，就能讓CPU、GPU、DSP、FPGA執(zhí)行自己最擅長的任務(wù)。如果能做到無縫地將運(yùn)行于CPU之上的通用計(jì)算、運(yùn)行于GPU之上的并行計(jì)算、運(yùn)行于DSP之上或者ASIC/FPGA之上的優(yōu)化計(jì)算整合在一起，就能獲得更好的應(yīng)用性能，更低的功耗等特性，相對于同構(gòu)計(jì)算而言也可能有一定性能優(yōu)勢。
以天河2號的一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)為例。Xeon E5的滿載功耗達(dá)145W，雙精浮點(diǎn)為0.21T Flops，而Xeon PHI功耗300W，雙精浮點(diǎn)達(dá)1T Flops。
天河2號一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)由2片Xeon E5和3片Xeon PHI，理論雙精浮點(diǎn)性能為3.42T Flops，功耗為1190W，理論雙精浮點(diǎn)性能與功耗的比值為2.87GFlops/W。相同功耗下使用8片Xeon E5只能獲得1696Gflops的理論雙精浮點(diǎn)性能，理論雙精浮點(diǎn)性能與功耗的比值為1.42GFlops/W。從數(shù)據(jù)可以看出，在同等功耗下，在使用Xeon PHI加速后，理論雙精浮點(diǎn)性能是只使用Xeon E5的2倍。
正是因?yàn)楫悩?gòu)計(jì)算在理論上有著諸多的優(yōu)勢，一些媒體將“CPU+XXX”稱為下一代處理器。
在超算上應(yīng)用廣泛
事實(shí)上，最近幾年曾經(jīng)在TOP500刷榜，或者排名靠前的超算都采用了異構(gòu)計(jì)算——中國神威太湖之光、美國超算泰坦、中國天河1號和天河2號。
泰坦有18688個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)由1個(gè)16核心AMD Opteron 6274處理器和1個(gè)NVIDIA Tesla K20加速器組成，共計(jì)299008個(gè)運(yùn)算核心，屬于CPU+GPU。
天河1號使用了14336片Intel Xeon X5670處理器和7168片NVIDIA Tesla M2050高性能計(jì)算卡，屬于CPU+GPU。
天河2號有16000個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由2片Intel的E5 2692和3片Xeon PHI組成，共使用了32000片Intel的E5 2692和48000片Xeon PHI，屬于CPU+眾核芯片。正在升級的天河2號則將美國的Xeon PHI換成了自主研發(fā)的矩陣2000，屬于CPU+DSP。
中國首個(gè)異構(gòu)計(jì)算處理器屬于自主研發(fā)
近年來，國家對集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展高度重視，在龍芯、申威等老牌設(shè)計(jì)單位取得累累碩果的同時(shí)，又成立了擁有1200億元人民幣的集成電路大基金扶持產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先后與IBM、VIA、高通、AMD合資/合作成立兆芯、宏芯、華芯通等公司，并大力扶持展訊、海思、聯(lián)芯等ARM陣營IC設(shè)計(jì)公司茁壯成長。
不過，在上述公司中，除了龍芯和申威之外，大多都對境外技術(shù)有一定依賴，有的還成為境外公司的馬甲，既不具備造血能力，又只能依賴政府經(jīng)費(fèi)生存。可以說，當(dāng)今開發(fā)處理器的公司中魚龍混雜，真正能做到自主研發(fā)、自主可控的少之又少。
就是在業(yè)界普遍購買國外技術(shù)授權(quán)，開發(fā)所謂“國產(chǎn)”處理器的大背景下，華夏芯選擇了最為艱難的自主研發(fā)道路——其處理器的指令集和IP都屬于自主研發(fā)。
也許很多人從來沒有聽說過華夏芯這樣一家公司，但該公司確實(shí)是中國第一家從事異構(gòu)計(jì)算處理器IP核設(shè)計(jì)的集成電路企業(yè)——華夏芯公司是一個(gè)定位于全球市場的中國公司，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的來源也是全球化，但是從技術(shù)到人才都掌握在華夏芯手中，比如華夏芯的3合1“ Unity”體系架構(gòu)是其獨(dú)創(chuàng)技術(shù)，在同行業(yè)中也處于領(lǐng)先地位。
更難得的是，華夏芯并沒有像一些商業(yè)公司那樣購買ARM指令集，而是公司自主開發(fā)的指令集、微結(jié)構(gòu)和工具鏈。因此，在自主創(chuàng)新能力上，和一些購買ARM 的IP授權(quán)開發(fā)所謂“國產(chǎn)”CPU的國內(nèi)廠商有著本質(zhì)上的區(qū)別。
華夏芯公司最近發(fā)布了一系列新的IP授權(quán)產(chǎn)品，在全球范圍授權(quán)IP，為客戶提供一流的處理器設(shè)計(jì)技術(shù)。所有華夏芯的處理器均支持HSA。對此，華夏芯的董事長李科奕表示，“我們很高興地看到華夏芯的新IP核通過了PRM HSA一致性測試，面向工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和嵌入式系統(tǒng)，該IP核對功耗進(jìn)行了優(yōu)化并向全球提供許可”。
據(jù)了解，華夏芯還是中國唯二的可以對外授權(quán)IP的處理器公司（另一家是龍芯），在中國大多數(shù)CPU公司還處于購買國外IP做集成的時(shí)代，華夏芯能夠自己開發(fā)IP并且能夠?qū)ν馐跈?quán)就顯得尤為難得。目前，華夏芯的CPU核可以通過IP授權(quán)的方式提供給客戶，第一款CPU已經(jīng)在臺積電使用28nm HPC制成工藝流片，2016年第3季度提供給潛在客戶作為評估或開發(fā)之用。
相對于國外大廠有何獨(dú)門絕技
中國首個(gè)異構(gòu)處理器相對于國外產(chǎn)品最大的特色就是3合1“ Unity”體系架構(gòu)。本次在硅片上實(shí)現(xiàn)的IP核是華夏芯3合1“ Unity”體系架構(gòu)的首次實(shí)現(xiàn)。Unity具有包括圖像和視頻處理在內(nèi)的多維信號處理能力。華夏芯美國研發(fā)中心的CTO Mayan Moudgill博士表示，“矢量處理長度可依據(jù)矢量計(jì)算的需求動(dòng)態(tài)設(shè)置，最大配置達(dá)到64KB，滿足各種智能化應(yīng)用和高性能計(jì)算對并行計(jì)算的要求，保證了指令架構(gòu)的穩(wěn)健性和軟件代碼的移植性。變長矢量處理單元（VPU）在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理的同時(shí)，結(jié)合了低功耗、亂序執(zhí)行流水線等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，從而使多個(gè)控制線程高效地執(zhí)行”。
值得關(guān)注的是，在華夏芯面向全球發(fā)布上述消息2天之后，ARM也發(fā)布了與其類似的V8-A的矢量擴(kuò)展架構(gòu)（SVE），其技術(shù)特征與華夏芯推出的VPU單元極為相似。這說明，真正從事自主創(chuàng)新的國產(chǎn)處理器設(shè)計(jì)公司完全可以在核心技術(shù)上達(dá)到國際領(lǐng)先水平，其創(chuàng)新能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于那些通過IP授權(quán)設(shè)計(jì)CPU的公司，畢竟后者在自主創(chuàng)新的空間上受到授權(quán)許可方極其嚴(yán)苛的各種限制。
另外，市場上有很多SOC也集成了CPU、GPU、DSP等計(jì)算單元，比如像高通驍龍芯片、華為海思麒麟芯片都集成了CPU、GPU和DSP。那么，華夏芯3合1“ Unity”體系架構(gòu)和市面上普遍存在的SOC有哪些優(yōu)勢呢？
之前提到的SOC的CPU、GPU、DSP的指令架構(gòu)不同，微架構(gòu)不同，工具鏈不同，是基于多核集成做出來的異構(gòu)多核芯片，它們往往采用操作系統(tǒng)完成多核、多任務(wù)之間的同步與協(xié)調(diào)，因而會影響效率。在這里特別強(qiáng)調(diào)一下，傳統(tǒng)的SOC多核編程非常難，雖然在物理上實(shí)現(xiàn)了單芯片多核集成，但是在開發(fā)習(xí)慣和流程上與傳統(tǒng)的板上集成系統(tǒng)沒有太大的不同，即性能不高、功耗不小、多套工具、多個(gè)團(tuán)隊(duì)、開發(fā)困難、優(yōu)化更難。
相比之下，基于華夏芯Unity架構(gòu)的芯片單核已經(jīng)具備CPU、IVP（image and video processor）、DSP的處理能力，而且是一套指令架構(gòu)，一套微架構(gòu)，一套工具鏈。在做多核擴(kuò)展、硬件加速器和FPGA的整合工作時(shí)，華夏芯的Utility體系架構(gòu)將完全遵循HSA的規(guī)范，可以重用HSA的軟件生態(tài)系統(tǒng)。因此，華夏芯的3合1做法在功耗、成本、性能、軟件開發(fā)門檻、團(tuán)隊(duì)規(guī)模等方面都有巨大的優(yōu)勢。
異構(gòu)計(jì)算市場前景如何
異構(gòu)計(jì)算在理論上相對于同構(gòu)計(jì)算擁有很多優(yōu)勢——HSA能夠簡化芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低應(yīng)用編程門檻、縮短項(xiàng)目研發(fā)周期、顯著提升芯片性能、廣泛共享軟件生態(tài)。有廠家甚至宣傳異構(gòu)計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)任何程序都不必費(fèi)心考慮不同處理器內(nèi)核之間的存儲差異。但在現(xiàn)階段，異構(gòu)計(jì)算除了在超算上取得了明顯成績，在其他領(lǐng)域優(yōu)勢并不大。
即便異構(gòu)計(jì)算目前還存在這樣或那樣的一些問題，但卻是非常具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電子消費(fèi)品市場對于高性能并行計(jì)算的需求正在爆發(fā)性增長，特別是在機(jī)器視覺、人工智能、云計(jì)算、AR/VR、軟件定義無線電以及其他新興領(lǐng)域，都對異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)有著非常大的需求。而HSA在系統(tǒng)編程方式上的邁進(jìn)使得一個(gè)復(fù)雜片上系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)在并行計(jì)算上比CPU更高效、更低功耗的GPU、DSP以及硬件加速器等計(jì)算單元承擔(dān)大部分繁重的計(jì)算工作任務(wù)，在上述新興領(lǐng)域能發(fā)揮較理想的作用。
也正是因此，Parmance公司計(jì)劃與華夏芯在ML-HSA項(xiàng)目上進(jìn)行合作——該項(xiàng)目面向機(jī)器學(xué)習(xí)和深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并針對華夏芯此前發(fā)起的開源gccbrig項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，gccbrig項(xiàng)目為任何支持GCC的平臺提供編譯（終結(jié)轉(zhuǎn)換）功能。
國外巨頭也一直著力發(fā)展異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)——Intel在去年以167億美元收購阿爾特拉，發(fā)展CPU+FPGA，AMD著力發(fā)展的APU也屬于異構(gòu)計(jì)算，像Imagination、MTK等一些廠商也在異構(gòu)計(jì)算領(lǐng)域積極布局。可以說，異構(gòu)計(jì)算的市場前景還是值得期待的。
結(jié)語
雖然在CPU、GPU、DSP等傳統(tǒng)芯片上，中國與西方還有這比較大的差距，但在異構(gòu)計(jì)算處理器上，中國與國際先進(jìn)水平差距小，局部甚至還處于領(lǐng)先地位，可以說，本次華夏芯成功研發(fā)的異構(gòu)計(jì)算處理器則是中國在該領(lǐng)域的有益嘗試。