日前，中國華夏芯公司宣布，其異構(gòu)計算處理器IP核已經(jīng)在硅片上成功實現(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器學(xué)習(xí)和 深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開源項目，旨在進(jìn)一步推動HSA異構(gòu)計算的發(fā)展。本次華夏芯推出的產(chǎn)品則是國內(nèi)企業(yè)在異構(gòu)計算上的技術(shù)突破，并有望在人工智能、機器視覺、 工業(yè)4.0、移動通信、無人機等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
什么是異構(gòu)計算
同構(gòu)計算是使用相同類型指令集和體系架構(gòu)的計算單元組成系統(tǒng)的計算方式。而異構(gòu)計算主要是指使用不同類型指令集和體系架構(gòu)的計算單元組成系統(tǒng)的計算方 式，常見的計算單元類別包括CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA等。異構(gòu)計算用簡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。舉例來說，AMD著力發(fā)展的APU就屬于異構(gòu)計算，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，引入特定計算單元，讓計算系統(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行于CPU之上的通用計算、運行于GPU之上的并行計算、運行于DSP之上或者ASIC/FPGA之 上的優(yōu)化計算整合在一起，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)計算而言也可能有一定性能優(yōu)勢。
在超算上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用
其實，異構(gòu)計算對大家而言并不陌生，在TOP500刷榜的天河2號和神威太湖之光都采用了異構(gòu)計算。其原因就在于異構(gòu)計算能帶來很高的性能和性能功耗比，以天河2號的一個計算節(jié)點為例。
Xeon E5的滿載功耗達(dá)145W，雙精浮點為0.21T Flops，而Xeon PHI功耗300W，雙精浮點達(dá)1T Flops。
天河2號一個計算節(jié)點由2片Xeon E5和3片Xeon PHI，理論雙精浮點性能為3.42T Flops，功耗為1190W，理論雙精浮點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的理論雙精浮點性能，理論雙精浮點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，理論雙精浮點性能與是只使用Xeon E5的2倍。
正是因為異構(gòu)計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。
指令集自主開發(fā)
HSA協(xié)會正在推動異構(gòu)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(gòu)計算向越來越多的領(lǐng)域普及。
也許很多人從來沒有聽說過華夏芯這樣一家公司，但該公司確實是中國第一家從事異構(gòu)計算處理器IP核設(shè)計的集成電路企業(yè)——華夏芯公司是一個定位于全球市場的中國公司，研發(fā)團隊的來源也是全球化，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 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。
可以對外授權(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。
在技術(shù)創(chuàng)新上可圈可點
本次在硅片上實現(xiàn)的IP核是華夏芯3合1“ Unity”體系架構(gòu)的首次實現(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)矢量計算的需求動態(tài)設(shè)置，最大配置達(dá)到64KB，滿足各種智能化應(yīng)用和高性能計算對并行計算的要求，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，結(jié)合了低功耗、亂序執(zhí)行流水線等多項先進(jìn)技術(shù)，從而使多個 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。在這里特別強調(diào)一下，傳統(tǒng)的SOC多核編程非常難，雖然在物理上實現(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，多個團隊，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。在做多核擴展、硬件加速器和FPGA的整合工作時，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、團隊規(guī)模等 方面都有巨大的優(yōu)勢。
將被用于機器學(xué)習(xí)
由于機器學(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）需要高度并行計算，這就導(dǎo)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(yōu)勢。也正是因此，Parmance公司計劃與華夏芯在ML-HSA項目上進(jìn)行合作——該項目面向 機器學(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項目進(jìn)行優(yōu)化，gccbrig項目為任何支持GCC的平臺提供編譯（終結(jié)轉(zhuǎn)換）功能。
至于華夏芯是否會遭遇軟件生態(tài)的掣肘，HSA協(xié)會主席兼華夏芯美國研發(fā)中心的CEO John Glossner博士認(rèn)為，HSA的成員公司無需單獨建設(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^去的四年中，HSA聯(lián)盟已經(jīng)開發(fā)了硬件和軟件基礎(chǔ)架構(gòu)來支持異構(gòu)系統(tǒng)。開發(fā)者生態(tài)系統(tǒng)支持編譯器、運行時（runtime）等開源 實現(xiàn)。HSA聯(lián)盟還致力于提供跨HSA平臺的可移植應(yīng)用。我很高興華夏芯能夠參與HSA開發(fā)者和應(yīng)用編程生態(tài)系統(tǒng)”，John表示。
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)計算處理器上，中國與國際先進(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號之后，國產(chǎn)超級計算機神威太湖一號再次登頂世界TOP500，成為世界上運算速度最快的計算機。本次華夏芯成功研發(fā)的異構(gòu)計算處理器則 是中國在該領(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產(chǎn)自主處理器的創(chuàng)新和領(lǐng) 先，徹底解決國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。