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[導(dao)讀]日前(qian)，中國華夏芯公司(si)宣布，其異(yi)構計算處理器IP核已經在硅片上成功實現(xian)，并(bing)已通(tong)過HSA（異(yi)構系統架(jia)構）一致性測試。

日前，中國華夏芯公司宣布，其異構計算處理器IP核已經在硅片上成功實現，并已通過HSA（異構系統架構）一致性測試。公司還宣布了新的機器學習和深層神經網絡的開源項目，旨在進一步推動HSA異構計算的發展。本次華夏芯推出的產品則是國內企業在異構計算上的技術突破，并有望在人工智能、機器視覺、工業4.0、移動通信、無人機等領域推廣應用。

什么是異構計算

同構計算是使用相同類型指令集和體系架構的計算單元組成系統的計算方式。而異構計算主要是指使用不同類型指令集和體系架構的計算單元組成系統的計算方式，常見的計算單元類別包括CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA等。異構計算用簡單的公式可以表示為“CPU+XXX”，究其本質而言Cpu+本質上指的是單核與多核能力的提升。舉例來說，AMD著力發展的APU就屬于異構計算，用公式表示就是CPU+GPU。

由于術(shu)業有專攻，CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA各有所長(chang)，在一(yi)(yi)(yi)些場景下，引入特定計(ji)算(suan)單元，讓計(ji)算(suan)系統變成混(hun)合(he)(he)結構(gou)，就能(neng)讓CPU、GPU、DSP、FPGA執行(xing)自己最擅長(chang)的(de)任務。如果能(neng)做到無縫地將運(yun)(yun)行(xing)于CPU之上(shang)(shang)的(de)通用計(ji)算(suan)、運(yun)(yun)行(xing)于GPU之上(shang)(shang)的(de)并行(xing)計(ji)算(suan)、運(yun)(yun)行(xing)于DSP之上(shang)(shang)或者ASIC/FPGA之上(shang)(shang)的(de)優化計(ji)算(suan)整合(he)(he)在一(yi)(yi)(yi)起(qi)，就能(neng)獲得更(geng)好(hao)的(de)應用性能(neng)，更(geng)低(di)的(de)功耗等(deng)特性，相(xiang)對于同構(gou)計(ji)算(suan)而言也(ye)可能(neng)有一(yi)(yi)(yi)定性能(neng)優勢。

在超算上已經得到廣泛應用

 其實，異(yi)構計算(suan)對大家而言并不陌生，在(zai)TOP500刷榜的(de)天河(he)2號和(he)神威太(tai)湖(hu)之(zhi)光都(dou)采用了異(yi)構計算(suan)。其原因就在(zai)于異(yi)構計算(suan)能帶(dai)來很高的(de)性(xing)能和(he)性(xing)能功耗比，以天河(he)2號的(de)一個(ge)計算(suan)節(jie)點為例。

Xeon E5的滿載功耗達145W，雙精浮點為0.21T Flops，而Xeon PHI功耗300W，雙精浮點達1T Flops。

天河2號(hao)一(yi)個計算節點(dian)由2片Xeon E5和3片Xeon PHI，理(li)論(lun)雙精浮(fu)(fu)點(dian)性(xing)能為3.42T Flops，功耗(hao)(hao)(hao)為1190W，理(li)論(lun)雙精浮(fu)(fu)點(dian)性(xing)能與功耗(hao)(hao)(hao)的比值為2.87GFlops/W。相(xiang)同(tong)功耗(hao)(hao)(hao)下使(shi)用8片Xeon E5只能獲得1696Gflops的理(li)論(lun)雙精浮(fu)(fu)點(dian)性(xing)能，理(li)論(lun)雙精浮(fu)(fu)點(dian)性(xing)能與功耗(hao)(hao)(hao)的比值為1.42GFlops/W。從數據可以(yi)看出(chu)，在同(tong)等功耗(hao)(hao)(hao)下，在使(shi)用Xeon PHI加速后，理(li)論(lun)雙精浮(fu)(fu)點(dian)性(xing)能與是只使(shi)用Xeon E5的2倍。

正是因為異構計算在理論上有著諸多的優勢，一些媒體將“CPU+XXX”稱為下一代處理器。

指令集自主開發

HSA協會正在推動異構計算向各個方面普及，而華夏芯則是其中的一份子，共同推動異構計算向越來越多的領域普及。

也許(xu)很多(duo)人(ren)從來(lai)沒有聽說過(guo)華(hua)夏(xia)(xia)芯(xin)這(zhe)樣(yang)一家(jia)公(gong)司，但(dan)該公(gong)司確實是(shi)(shi)中(zhong)國第一家(jia)從事異構計算(suan)處(chu)理(li)器IP核設計的(de)集成電路企業(ye)(ye)——華(hua)夏(xia)(xia)芯(xin)公(gong)司是(shi)(shi)一個定位(wei)(wei)于全(quan)(quan)球市場的(de)中(zhong)國公(gong)司，研發(fa)團隊的(de)來(lai)源也是(shi)(shi)全(quan)(quan)球化，但(dan)是(shi)(shi)從技術(shu)到人(ren)才都掌握在華(hua)夏(xia)(xia)芯(xin)手中(zhong)，比如(ru)華(hua)夏(xia)(xia)芯(xin)的(de)3合1“ Unity”體系架構是(shi)(shi)其獨創技術(shu)，在同行業(ye)(ye)中(zhong)也處(chu)于領先地位(wei)(wei)。

更難得的是，華夏芯并沒有像一些商業公司那樣購買ARM指令集，而是公司自主開發的指令集、微結構和工具鏈。因此，在自主創新能力上，和一些購買ARM IP授權開發所謂“國產”CPU的國內廠商有著本質上的區別。

可以對外授權IP

華夏芯公司最近發布了一系列新的IP授權產品，在全球范圍授權IP，為客戶提供一流的處理器設計技術。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、物聯網、高級駕駛輔助系統（ADAS）和嵌入式系統，該IP核對功耗進行了優化并向全球提供許可”。

據了解，華(hua)夏芯還(huan)是中國唯(wei)二的可以對外(wai)(wai)授(shou)權IP的處(chu)理器公司(另(ling)一(yi)家是龍(long)芯)，在中國大多(duo)數(shu)CPU公司還(huan)處(chu)于購買國外(wai)(wai)IP做集(ji)成的時代，華(hua)夏芯能夠自己開發IP并且能夠對外(wai)(wai)授(shou)權就顯(xian)得尤為難得。目前，華(hua)夏芯的CPU核可以通過IP授(shou)權的方式提(ti)供給(gei)客戶(hu)，第一(yi)款(kuan)CPU已經在臺積電使用28nm HPC制成工藝(yi)流片(pian)，2016年第3季(ji)度提(ti)供給(gei)潛(qian)在客戶(hu)作為評估或開發之用。

在技術創新上可圈可點

本(ben)次在(zai)硅片上實現的IP核是華夏芯(xin)3合1“ Unity”體(ti)系架構的首(shou)次實現。Unity具有包括圖像和(he)視(shi)頻處(chu)理(li)在(zai)內的多維信號處(chu)理(li)能力。華夏芯(xin)美國研發(fa)中心的CTO Mayan Moudgill博士表示，“矢量(liang)處(chu)理(li)長度(du)可依據矢量(liang)計算的需求(qiu)動態設置，最大配置達到64KB，滿(man)足各種智能化應用和(he)高性(xing)能計算對并行計算的要求(qiu)，保證了(le)指令架構的穩(wen)健性(xing)和(he)軟件代碼的移植性(xing)。變(bian)長矢量(liang)處(chu)理(li)單元（VPU）在(zai)進行大量(liang)數據處(chu)理(li)的同時(shi)，結合了(le)低功耗、亂(luan)序執(zhi)行流水線(xian)等多項先進技術，從而使多個(ge)控(kong)制線(xian)程高效地執(zhi)行”。

值得關注的是，在華夏芯面向全球發布上述消息2天之后，ARM也發布了與其類似的V8-A的矢量擴展架構（SVE），其技術特征與華夏芯推出的VPU單元極為相似。這說明，真正從事自主創新的國產處理器設計公司完全可以在核心技術上達到國際領先水平，其創新能力要遠遠優于那些通過IP授權設計CPU的公司，畢竟后者在自主創新的空間上受到授權許可方極其嚴苛的各種限制和制約。

和SOC有哪些不同

在市場上有很多SOC也集成了CPU、GPU、DSP等計算單元，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(de)SOC的(de)CPU、GPU、DSP的(de)指令架構不(bu)同(tong)，微架構不(bu)同(tong)，工具鏈不(bu)同(tong)，是基(ji)于多(duo)(duo)核(he)集成(cheng)做出來(lai)的(de)異構多(duo)(duo)核(he)芯片(pian)，它們(men)往往采用操作系統完成(cheng)多(duo)(duo)核(he)、多(duo)(duo)任(ren)務之間的(de)同(tong)步與協調(diao)，因而會影響效率。在這里特別強調(diao)一(yi)下，傳(chuan)統的(de)SOC多(duo)(duo)核(he)編程非常難，雖然(ran)在物理上實(shi)現了單芯片(pian)多(duo)(duo)核(he)集成(cheng)，但是在開發習慣和流程上與傳(chuan)統的(de)板上集成(cheng)系統沒有太(tai)大的(de)不(bu)同(tong)，即性(xing)能不(bu)高，功耗不(bu)小，多(duo)(duo)套工具，多(duo)(duo)個團(tuan)隊(dui)，開發困難，優化(hua)更難。

相比之下，基于華夏芯Unity架構的芯片單核已經具備CPU、IVP(image and video processor)、DSP的處理能力，而且是一套指令架構，一套微架構，一套工具鏈。在做多核擴展、硬件加速器和FPGA的整合工作時，華夏芯的Utility體系架構將完全遵循HSA的規范，可以重用HSA的軟件生態系統。因此，華夏芯的3合1做法在功耗、成本、性能、軟件開發門檻、團隊規模等方面都有巨大的優勢。

將被用于機器學習

由于機器學習的算法在許多應用中被使用，且大多數算法代理(agent)需要高度并行計算，這就導致HSA平臺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勢。也正是因此，Parmance公司計劃與華夏芯在ML-HSA項目上進行合作——該項目面向機器學習和深層神經網絡，并針對華夏芯此前發起的開源gccbrig項目進行優化，gccbrig項目為任何支持GCC的平臺提供編譯（終結轉換）功能。

至(zhi)于(yu)華(hua)夏(xia)芯是(shi)否會(hui)遭(zao)遇軟件(jian)(jian)生態(tai)(tai)的掣肘(zhou)，HSA協會(hui)主(zhu)席兼(jian)華(hua)夏(xia)芯美國研發(fa)中(zhong)心的CEO John Glossner博士認為(wei)，HSA的成員公司無需單獨建設生態(tai)(tai)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，而是(shi)由(you)包括全(quan)球(qiu)主(zhu)要(yao)處(chu)理(li)器廠(chang)商在內的HSA聯(lian)盟(meng)一起共建生態(tai)(tai)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，在這種(zhong)情況下，成功的概率要(yao)高很多。“在過去的四(si)年中(zhong)，HSA聯(lian)盟(meng)已經開發(fa)了硬件(jian)(jian)和軟件(jian)(jian)基礎架構來支持異(yi)構系(xi)(xi)統(tong)(tong)。開發(fa)者生態(tai)(tai)系(xi)(xi)統(tong)(tong)支持編譯器、運行時（runtime）等開源實現(xian)。HSA聯(lian)盟(meng)還致力(li)于(yu)提供跨HSA平(ping)臺的可移植應(ying)用。我很高興華(hua)夏(xia)芯能(neng)夠參與HSA開發(fa)者和應(ying)用編程生態(tai)(tai)系(xi)(xi)統(tong)(tong)”，John表示。

結語

 雖然在(zai)CPU、GPU、DSP等(deng)傳統芯(xin)(xin)片上，中國(guo)與西(xi)方還有(you)這比較大(da)的差距，但在(zai)異構(gou)計(ji)(ji)算(suan)(suan)處理(li)器(qi)(qi)上，中國(guo)與國(guo)際先(xian)進水平(ping)差距小，甚至在(zai)某些領域還處于領先(xian)，比如繼天(tian)河2號之后，國(guo)產(chan)(chan)超(chao)級計(ji)(ji)算(suan)(suan)機神威太(tai)湖一號再次登頂世界TOP500，成為世界上運算(suan)(suan)速度最(zui)快的計(ji)(ji)算(suan)(suan)機。本(ben)次華夏芯(xin)(xin)成功研發(fa)的異構(gou)計(ji)(ji)算(suan)(suan)處理(li)器(qi)(qi)則(ze)是中國(guo)在(zai)該領域的有(you)益嘗試。在(zai)此，筆者衷心祝愿華夏芯(xin)(xin)以及龍芯(xin)(xin)、申威等(deng)從事自主(zhu)創新(xin)的處理(li)器(qi)(qi)公(gong)司能夠(gou)在(zai)我們這一代人的手上完成國(guo)產(chan)(chan)自主(zhu)處理(li)器(qi)(qi)的創新(xin)和領先(xian)，徹底解決國(guo)家信息安全受制于人，信息產(chan)(chan)業發(fa)展受制于人的困(kun)境。

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