異構計算：晶元架構的創新熱點！

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與全球頂級大咖共話系統級封裝新趨勢

現如今，大數據、人工智慧對計算性能提出爆髮式需求，各種創新的神經網路演算法及相應的計算實現架構層出不窮，傳統晶元設計架構已經難以滿足應用對計算能力的需求，以異構計算為代表的架構創新成為新風口。

全球異構系統架構（HSA）聯盟主席John Glossner博士

為此，芯師爺在8月22日舉辦的「2019中國（深圳）集成電路峰會」期間，採訪了全球異構系統架構（HSA）聯盟主席John Glossner博士，針對異構計算的發展現狀及趨勢進行了深入的探討。

什麼是異構系統架構？

提起異構計算，很多人會想到「CPU GPU」的晶元架構方案，其在雲端數據處理中已經獲得非常成功的應用。

然而CPU和GPU擁有獨立的地址空間，應用程序不得不明確地控制數據在CPU和GPU之間的流動，這意味著編程人員不得不採用基於操作系統調用的IO操作來實現昂貴的、往返多次的數據複製。另一方面，算力逐步向邊緣延伸，對於晶元功耗、靈活性及延遲性等要求越來越嚴苛，傳統的晶元架構顯然無法滿足要求。

John Glossner博士認為：「除了CPU和GPU處理器之外，想要實現真正的異構計算還需要將DSP、FPGA、AI加速器等引入其中。為此，需要有一套針對不同供應商的統一的工具鏈和指令集架構（ISA），這就是異構系統架構（HSA）概念的由來。」

HSA是AMD在原來的FSA架構（Fusion System Architecture）基礎上提出來的，其目的是為了突破CPU的發展瓶頸。並於2012年6月份，AMD聯合ARM、Imagination、聯發科、德州儀器共同組建了非營利組織「異構系統架構基金會」(HSA Foundation)，隨後吸引了三星電子、高通以及大批行業公司、科研機構的加盟。

異構系統架構

而在國內，中國電子技術標準化研究院和華夏芯（北京）通用處理器技術有限公司等也牽頭成立了「中國異構系統架構推進工作組（CSH）」，目前成員單位達40餘家，涵蓋中國本土知名的半導體企業、高校和科研院所。

從架構上來看，HSA主要目的是通過無縫地分配相應的任務至最適合的處理單元，使CPU、GPU和其他處理器和諧工作在單一晶元上。主要具有以下幾大特性：

1. 任何處理單元的數據可以輕易地被其它處理單元所訪問；

2. 異構計算不僅包括GPU，還包括其它專用處理單元或協處理器；

3. 編程人員不用知道程序在什麼處理單元上運行；

4. GPU和其它處理單元無縫訪問虛擬內存，解決數據搬遷瓶頸，數據無需複製。

AI晶元的未來方向

對於異構計算的應用，John Glossner博士認為，人工智慧將成為一個非常具有代表性的應用場景。由於演算法的快速演進，異構計算將廣泛應用於人工智慧諸多場景，如天氣預報、輔助駕駛、智能駕駛、智能安防、智能家居、機器人、智慧城市等領域。

為此，華夏芯推出了一套名為Unity的異構指令集，可以用於設計不同類型的計算單元，如CPU、DSP、GPU、AI等。

「我們的指令集最大的優勢是，從設計之初就是針對不同處理器、加速器、存儲單元的晶元級和系統級的異構融合與創新設計，並為程序員提供了一個可用於開發，編譯和調試程序的統一工具鏈。」John Glossner博士對芯師爺編輯解釋道：「現有的晶元架構如ARM和RISC-V等，也有廠商基於此做異構設計。但是ARM和RISC-V架構只能針對單一的計算單元，並沒有打破CPU、DSP、GPU和FPGA等之間的阻隔，不同的編譯方式同樣會給程序員帶來困擾。」

華夏芯「GP8300」SoC

據芯師爺了解，為了推動異構計算的發展，華夏芯為許多類型的異構系統提供可授權IP內核，並提供用於CPU、VectorDSP和AI處理的經過驗證的晶元。在CES2018消費電子展上，發布了CPU/DSP處理器IP和AI專用處理器IP，以及基於前述IP、支持雙目立體視覺與目標識別等功能的異構多核SoC晶元「GP8300」。

對此，John Glossner博士表示：「目前，華夏芯主要有三種不同的業務模式，包括處理器IP內核授權、晶元定製化設計和異構晶元及計算平台的銷售。未來針對嵌入式應用，我們將繼續增強我們當前的IP產品及SoC定製服務，大幅提升複雜晶元的性能、降低設計門檻、縮短設計周期，為客戶帶來成本、開發、差異化定製及安全方面的優勢。」

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