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[導(dǎo)讀]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。

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。本次華夏芯推出的產(chǎn)品則是國(guó)內(nèi)企業(yè)在異構(gòu)計(jì)算上的技術(shù)突破，并有望在人工智能、機(jī)器視覺(jué)、工業(yè)4.0、移動(dòng)通信、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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”，究其本質(zhì)而言Cpu+本質(zhì)上指的是單核與多核能力的提升。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)。

在超算上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用

其實(shí)，異構(gòu)計(jì)算對(duì)大家而言并不陌生，在TOP500刷榜的天河2號(hào)和神威太湖之光都采用了異構(gòu)計(jì)算。其原因就在于異構(gòu)計(jì)算能帶來(lái)很高的性能和性能功耗比，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)性能與是只使用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。

指令集自主開(kāi)發(fā)

HSA協(xié)會(huì)正在推動(dòng)異構(gòu)計(jì)算向各個(gè)方面普及，而華夏芯則是其中的一份子，共同推動(dòng)異構(gòu)計(jì)算向越來(lái)越多的領(lǐng)域普及。

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ARM 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。

可以對(duì)外授權(quán)IP

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。

在技術(shù)創(chuàng)新上可圈可點(diǎn)

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)苛的各種限制和制約。

和SOC有哪些不同

在市場(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。那么華夏芯與這些SOC有哪些不同呢？

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)門檻、團(tuán)隊(duì)規(guī)模等方面都有巨大的優(yōu)勢(shì)。

將被用于機(jī)器學(xué)習(xí)

由于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法在許多應(yīng)用中被使用，且大多數(shù)算法代理(agent)需要高度并行計(jì)算，這就導(dǎo)致HSA平臺(tái)正是這些算法的理想選擇，特別是華夏芯CPU+DSP+IVP的特性使其擁有性能功耗比方面的優(yōu)勢(shì)。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。

至于華夏芯是否會(huì)遭遇軟件生態(tài)的掣肘，HSA協(xié)會(huì)主席兼華夏芯美國(guó)研發(fā)中心的CEO John Glossner博士認(rèn)為，HSA的成員公司無(wú)需單獨(dú)建設(shè)生態(tài)系統(tǒng)，而是由包括全球主要處理器廠商在內(nèi)的HSA聯(lián)盟一起共建生態(tài)系統(tǒng)，在這種情況下，成功的概率要高很多?！霸谶^(guò)去的四年中，HSA聯(lián)盟已經(jīng)開(kāi)發(fā)了硬件和軟件基礎(chǔ)架構(gòu)來(lái)支持異構(gòu)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)者生態(tài)系統(tǒng)支持編譯器、運(yùn)行時(shí)（runtime）等開(kāi)源實(shí)現(xiàn)。HSA聯(lián)盟還致力于提供跨HSA平臺(tái)的可移植應(yīng)用。我很高興華夏芯能夠參與HSA開(kāi)發(fā)者和應(yīng)用編程生態(tài)系統(tǒng)”，John表示。

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，甚至在某些領(lǐng)域還處于領(lǐng)先，比如繼天河2號(hào)之后，國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)神威太湖一號(hào)再次登頂世界TOP500，成為世界上運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)。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。在此，筆者衷心祝愿華夏芯以及龍芯、申威等從事自主創(chuàng)新的處理器公司能夠在我們這一代人的手上完成國(guó)產(chǎn)自主處理器的創(chuàng)新和領(lǐng)先，徹底解決國(guó)家信息安全受制于人，信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展受制于人的困境。

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