萬物智能化時代如何實現指數級增長？軟硬體結合是關鍵

美國時間5月16日，英特爾2019開源技術峰會(OSTS)在華盛頓州Stevenson圓滿結束。大會從14日開始，共持續3天。在今年的開源技術峰會上，英特爾公司高級副總裁兼架構、圖形與軟體部門總經理Raja Koduri發表「指數級思維」的演講報告。他提出，如果想實現指數級的增長，必須要硬體和軟體共同創新。軟體社區和硬體社區相互交流，並真正去思考彼此的問題，比以往任何時候都更重要。

1000億設備互通的下一個時代 軟硬體如何結合

過去幾年間大家所能獲得的計算力正在以驚人的速率增長。計算力指數級上升的實現，正是基於硬體與軟體的結合(Contract)。

回顧過去35到40年間計算的發展歷程，計算力的增長速率呈指數級上升，從萬物數字化、萬物互聯、萬物移動化到萬物雲化，當前進入萬物智能化。然而，Raja指出：「萬物智能化不單是物聯網(IoT)，因為很多早期的IoT設備並沒有那麼智能，真正的萬物智能化是能夠真正幫助我們的智能設備。」

在PC時代，互聯網用戶增長了10億人。硬體和軟體結合的典型例子就是PC上X86架構和Windows系統的結合。

進入移動化時代，從10億的互聯網用戶增長到100億的設備，呈現10倍的增長，這些是硬體軟體的結合發生了變化。變成了ARM架構和iOS及Android操作系統，同時Linux系統和X86平台也佔據一部分市場。

當前，大家開始談論1000億台設備相互交流的下一個時代。Raja表示，無論是硬體、軟體、操作系統還是相關技術，需要思考的一個問題是硬體和軟體如何結合。什麼可以替代Linux和X86，ARM和iOS、安卓，或者X86和Windows，支持這1000億台設備呢?

除了密度之外，還有哪些創新來實現指數級增長

這種指數級的增長，與摩爾定律息息相關。摩爾定律是計算機革命的脈搏，現在關於摩爾定律有很多聲音：將何去何從、摩爾定律已死等等。

摩爾定律描述的四個重要特徵：晶體管密度、單價性能、每瓦性能、頻率。

摩爾定律的發展大致分為三個時期：第一個時代是被稱為黃金時期的兆赫時代，晶體管密度、單位性能和每瓦性能上都實現了極大提升，頻率也在每兩年大幅提升一次。第二個是多核時代，這期間晶體管密度繼續增加，但是單位性能下滑了，每瓦性能從平均1.7倍降到1.3倍，頻率也有所放緩。下一個時代是架構時代，內核會進一步扁平化，密度稍微低一些，但整體還是會像摩爾定律所說的每兩年提升一次。每瓦性能會低一點，頻率會低一點。

「如果想實現指數級的增長，那就必須要硬體和軟體來共同創新。軟體社區和硬體社區相互交流，並真正去思考彼此的問題，這比以往任何時候都更重要。」 Raja強調，「不僅僅是實現晶體管的指數級增長。除了密度之外，還有哪些創新，來實現用戶價值的指數級增長呢?」

對此，Raja提到英特爾的最新策略：「英特爾將提供多樣化的標量、矢量、矩陣和空間架構組合，以先進位程技術進行設計，由顛覆性內存層次結構提供支持，通過先進封裝集成到系統中，使用光速互連進行超大規模部署，提供統一的軟體開發介面以及安全功能。」Raja也表示，這裡的英特爾其實適用於整個科技界。

同時，英特爾推出了六大技術支柱——軟體、安全、互聯、內存/存儲、架構、製程/封裝，圍繞這六大技術支柱制定了技術和架構的路線圖。

在製程方面，是晶體管、封裝和設計的同步的聯合架構優化，這三者需要緊密地結合在一起來推動摩爾定律繼續發展。對於硬體領域的人來說，如果對比性能、功率和成本這三個方面，沒有單個的晶元類型可以成為所有工作負載的最優解。對桌面CPU來說，最好的是能將頻率提高到5GHz或以上的高性能CPU，但它對顯卡、AI晶元或者FPGA、移動晶元來說卻並不好，這就是問題關鍵所在。對此，英特爾制定的路線圖是：用先進技術把不同的小晶元，甚至是不同的核連接起來。這樣能讓單片SOC實現性能、功耗和成本的最佳組合。

在封裝方面，英特爾也制定了技術路線圖。標準封裝的接點間隔大約是110微米，然後到嵌入式多晶元互連橋接2D封裝(EMIB)技術，它的接點間隔就是前者的一半，這樣在二維中就可以得到更大的帶寬，功耗也更低，能下降近1/5。

Foveros 3D封裝技術，將是下一個技術飛躍。此外，就是為解決晶體管密度問題而開發的工具，從而在一個封裝上構建完整的系統，集合不同速度的晶體管和IO晶元、互連等等。

「在製程和封裝技術上，有密度的提升，有Foveros技術進步。進而利用先進的封裝技術為每個工作負載都提供相應最優的晶元。」Raja講道。

此外，在接下來的10年中，將會看到比過去50年中多得多的架構提升。

在架構方面，工作負載有多種。比如，看起來像標量計算的計算，像向量計算的計算，像矩陣計算的新型卷積計算，以及FPGA代表的空間架構。不同的工作負載好像是一片土地上的不同地區，中間被深溝隔開。「在接下來5-10年中，最重要的現代工作負載，就是這種標量、矢量、矩陣和空間架構的組合。」Raja強調。

對於每個架構而言，性能和通用性都很重要。CPU是最通用的，雖然可能不是其中性能最好的。GPU在性能模型上有些創新，但不像CPU那麼通用，但是GPU對於高強度工作負載的性能更好。FPGA加速器效率要高得多，但並不通用。Raja指出：「真正需要關注的是性能和通用性的不同搭配組合。」

對此，英特爾的願景和路線圖是，提供標量、矢量、矩陣和空間的多種架構組合，部署在CPC、GPU、FPGA和加速器套件之中。

在內存和存儲方面，當前需要指數級和先進的內存層級架構，以滿足當前的計算需求。當內存容量以指數級速率增加時，內存的帶寬卻呈次線性增長。內存層級架構上，從高速緩存到硬碟，每個級別都應該是10倍的提升。對此，英特爾也在開發封裝內存、持久內存和3D NAND等技術，以實現10倍的提升。現在是否能實現這個目標，取決於設定在硬體和軟體邊界的哪一邊。如果不改變相應的軟體架構，這些內存層級架構的10倍提升都無法轉化為實際的工作負載提升。

下一個技術支柱是互連，包括片上互連、晶元間互連、系統級互連和數據中心級互連。每個層級的互連都在創新。英特爾從片上、封裝內互連、處理器間互連、數據中心互連到無線互連等各方面都有投入。同時，還開放了Compute Express Link(CXL)規範。Raja表示，這是英特爾的一項重大創舉。

在安全方面，未來10年內任何成功的新架構都應將安全作為其基礎和優先特性。安全的挑戰源於外露面的指數級增長。6個內存層級架構，4個互連層級架構和數10億個設備。在這其中，如果架構的每個部分都有1個指數級的外露面，那麼需要保護4*6*4個面，即96的面。在業內，外露面仍然存在問題。每次向CPU添加新指令時，都會增加外露面。因此，對於所有硬體和軟體方面來說，安全的挑戰和機遇都是並存的。

最後一個支柱是軟體。對於全新硬體架構的每一個數量級的性能提升潛力，軟體能帶來超過兩個數量級的性能提升。

Raja指出：「英特爾在軟體領域的策略是一個架構，像是CPU的圖形架構，圍繞架構進行擴展。我們擁有一個1200萬活躍開發者的生態系統，橫跨PC、網路和數據中心。」

同時，英特爾也設定三個目標。一是簡便和可擴展。對於開發者來說，它應該易於使用，而且不僅可以擴展到所有的架構，更可以擴展到所有的操作系統，是從一個節點到生態系統中的數百萬台互聯設備。二是開放性，即將向所有人開放標準。三是必須提供統一的開發體驗。「設定了這三個目標，特別是為了構建即將出現的計算機的異構性。」Raja表示。

為解決這個問題，英特爾投入一年多的時間在做OneAPI項目。One API整合了計算和架構創新，通過高速互連以及新的軟體開發模式，為開發者簡化API，並從英特爾計算架構釋放出更高的性能和效率。Raja在大會現場正式宣布，One API項目將在2019年第四季度之前如期交付給開發者。

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