隨著近幾年天河2號(hào)和神威太湖之光相繼在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)公布的TOP500刷榜,。在超級(jí)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(lái)越多的進(jìn)入人們的視野,。在國(guó)外公司積極布局異構(gòu)計(jì)算的同時(shí),，國(guó)內(nèi)公司也不甘落后。日前,，中國(guó)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(guò)HSA（異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)）一致性測(cè)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(kāi)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(huì)的推動(dòng)下,，異構(gòu)計(jì)算有向越來(lái)越多的領(lǐng)域侵蝕的趨勢(shì)。那么,，什么是異構(gòu)計(jì)算,？發(fā)展前景究竟如何？中國(guó)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(jiàn)的計(jì)算單元類別包括CPU,、GPU,、DSP、ASIC,、FPGA等,。異構(gòu)計(jì)算用簡(jiǎn)單的公式可以表示為“CPU+XXX”。舉例來(lái)說(shuō),，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(zhǎng),，在一些場(chǎng)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(zhǎng)的任務(wù)。如果能做到無(wú)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(duì)于同構(gòu)計(jì)算而言也可能有一定性能優(yōu)勢(shì)。

　　以天河2號(hào)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(hào)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(shì),，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(guó)神威太湖之光,、美國(guó)超算泰坦、中國(guó)天河1號(hào)和天河2號(hào)。

　　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(hào)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(hào)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(jí)的天河2號(hào)則將美國(guó)的Xeon PHI換成了自主研發(fā)的矩陣2000，屬于CPU+DSP,。

　　中國(guó)首個(gè)異構(gòu)計(jì)算處理器屬于自主研發(fā)

　　近年來(lái),，國(guó)家對(duì)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(yíng)IC設(shè)計(jì)公司茁壯成長(zhǎng)。

　　不過(guò),，在上述公司中,，除了龍芯和申威之外，大多都對(duì)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,?？梢哉f(shuō)，當(dāng)今開(kāi)發(fā)處理器的公司中魚(yú)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(gòu)買(mǎi)國(guó)外技術(shù)授權(quán)，開(kāi)發(fā)所謂“國(guó)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(lái)沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)華夏芯這樣一家公司，但該公司確實(shí)是中國(guó)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(chǎng)的中國(guó)公司,，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的來(lái)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(méi)有像一些商業(yè)公司那樣購(gòu)買(mǎi)ARM指令集,，而是公司自主開(kāi)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(gòu)買(mǎi)ARM 的IP授權(quán)開(kāi)發(fā)所謂“國(guó)產(chǎn)”CPU的國(guó)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(duì)此,，華夏芯的董事長(zhǎng)李科奕表示，“我們很高興地看到華夏芯的新IP核通過(guò)了PRM HSA一致性測(cè)試,，面向工業(yè),、物聯(lián)網(wǎng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和嵌入式系統(tǒng),，該IP核對(duì)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(guó)唯二的可以對(duì)外授權(quán)IP的處理器公司（另一家是龍芯）,，在中國(guó)大多數(shù)CPU公司還處于購(gòu)買(mǎi)國(guó)外IP做集成的時(shí)代,，華夏芯能夠自己開(kāi)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(guò)IP授權(quán)的方式提供給客戶,，第一款CPU已經(jīng)在臺(tái)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(píng)估或開(kāi)發(fā)之用,?！?/p>

　　相對(duì)于國(guó)外大廠有何獨(dú)門(mén)絕技

　　中國(guó)首個(gè)異構(gòu)處理器相對(duì)于國(guó)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(hào)處理能力,。華夏芯美國(guó)研發(fā)中心的CTO Mayan Moudgill博士表示,，“矢量處理長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(shuō)明，真正從事自主創(chuàng)新的國(guó)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(guó)際領(lǐng)先水平,，其創(chuàng)新能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于那些通過(guò)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(chǎng)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(shì)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(lái)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(huì)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(kāi)發(fā)習(xí)慣和流程上與傳統(tǒng)的板上集成系統(tǒng)沒(méi)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(kāi)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(kāi)發(fā)門(mén)檻,、團(tuán)隊(duì)規(guī)模等方面都有巨大的優(yōu)勢(shì),。

　　異構(gòu)計(jì)算市場(chǎng)前景如何

　　異構(gòu)計(jì)算在理論上相對(duì)于同構(gòu)計(jì)算擁有很多優(yōu)勢(shì)——HSA能夠簡(jiǎn)化芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低應(yīng)用編程門(mén)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(chǔ)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(jī),，在其他領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)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(wèn)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(chǎng)對(duì)于高性能并行計(jì)算的需求正在爆發(fā)性增長(zhǎng)，特別是在機(jī)器視覺(jué),、人工智能,、云計(jì)算、AR/VR,、軟件定義無(wú)線電以及其他新興領(lǐng)域,，都對(duì)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(duì)華夏芯此前發(fā)起的開(kāi)源gccbrig項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，gccbrig項(xiàng)目為任何支持GCC的平臺(tái)提供編譯（終結(jié)轉(zhuǎn)換）功能,。

　　國(guó)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(gòu)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?？梢哉f(shuō),，異構(gòu)計(jì)算的市場(chǎng)前景還是值得期待的。

　　結(jié)語(yǔ)

　　雖然在CPU,、GPU,、DSP等傳統(tǒng)芯片上，中國(guó)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(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平差距小,，局部甚至還處于領(lǐng)先地位,，可以說(shuō)，本次華夏芯成功研發(fā)的異構(gòu)計(jì)算處理器則是中國(guó)在該領(lǐng)域的有益嘗試,。