全球異構(gòu)計算三強(qiáng)鼎立 我國高端芯片產(chǎn)業(yè)迎新機(jī)遇

　　當(dāng)前，全球電子信息產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域競爭格局此消彼長，半導(dǎo)體領(lǐng)域創(chuàng)新風(fēng)起云涌，核心芯片技術(shù)發(fā)展變革步伐進(jìn)一步加快，計算呈現(xiàn)出全新發(fā)展趨勢，多種計算范式和架構(gòu)正逐漸融合，開始進(jìn)入“大計算”時代。從上世紀(jì)70年代Intel推出第一款處理器到現(xiàn)在，芯片架構(gòu)歷經(jīng)單核、同構(gòu)多核等不同時期，當(dāng)前正邁向異構(gòu)多核時代。伴隨并行度提高，同構(gòu)系統(tǒng)處理器核間的并行冗余越來越大，不可并行任務(wù)協(xié)調(diào)工作越來越多，導(dǎo)致系統(tǒng)性能增幅隨冗余增大接近飽和。異構(gòu)多核芯片的創(chuàng)新涉及軟硬件等深層次創(chuàng)新融合與突破，是普適計算領(lǐng)域新熱點(diǎn)，也是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要新拐點(diǎn)。

　　全球異構(gòu)計算呈現(xiàn)三強(qiáng)鼎立

　　異構(gòu)計算系統(tǒng)有兩種實現(xiàn)方式：一是將多個不同類型處理器芯片通過片間集成的方式實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)級異構(gòu)計算(稱之為片間異構(gòu));二是基于單(硅)片內(nèi)集成多個不同處理器內(nèi)核的異構(gòu)計算芯片實現(xiàn)，即異構(gòu)計算在芯片級實現(xiàn)(稱之為片內(nèi)異構(gòu))。第二種異構(gòu)計算芯片技術(shù)是當(dāng)前最新技術(shù)。

　　異構(gòu)計算芯片是將不同架構(gòu)的中央處理器CPU(Central Processing Unit)、圖形處理器GPU (Graphics Processing Unit)、數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field Programmable Gate Array)等特定硬件加速單元依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范有機(jī)內(nèi)在融合在一顆芯片上，任務(wù)由最合適的工作單元來承擔(dān)，不同異構(gòu)內(nèi)核之間實現(xiàn)協(xié)同計算。

　　隨著同構(gòu)多核達(dá)到一定程度，通過核的堆疊提升計算性能遇到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，芯片級異構(gòu)計算能夠消除同構(gòu)計算時CPU、GPU、DSP之間數(shù)據(jù)傳輸時間，大大提升計算效率，并且以良好的性能協(xié)同支持圖形處理、信息通信、人工智能、大數(shù)據(jù)等多領(lǐng)域應(yīng)用，基于統(tǒng)一編程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，能大幅減小軟件開發(fā)編程難度、降低產(chǎn)品研制和維護(hù)成本。芯片級異構(gòu)計算已經(jīng)成為解決計算與效能瓶頸的主流技術(shù)之一。

　　當(dāng)前，全球異構(gòu)計算領(lǐng)域呈現(xiàn)三強(qiáng)鼎立的態(tài)勢，分別是以AMD、高通、ARM、三星、北京華夏芯等為主體的全球異構(gòu)計算系統(tǒng)HSA(Heterogeneous System Architecture)聯(lián)盟，以IBM、Google、英偉達(dá)為主OpenPOWER聯(lián)盟和以Intel主導(dǎo)的異構(gòu)計算體系。其中，Intel公司異構(gòu)計算體系主要為其自身系列產(chǎn)品和服務(wù)使用，在PC與高性能移動計算領(lǐng)域優(yōu)勢明顯;HSA是完全開放的異構(gòu)計算聯(lián)盟，由于ARM、高通、三星等巨頭參與，在高性能移動計算領(lǐng)域擁有顯著優(yōu)勢。OpenPOWER聯(lián)盟以IBM POWER芯片架構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，成立時間最晚，主要面向高性能計算領(lǐng)域應(yīng)用。

　　異構(gòu)計算作為新興技術(shù)同樣面臨諸多問題和挑戰(zhàn)，例如從傳統(tǒng)同構(gòu)系統(tǒng)、片間異構(gòu)到片內(nèi)多核異構(gòu)，如何對應(yīng)不同的編程方式、軟硬件架構(gòu)以及生態(tài)系統(tǒng)等;對于異構(gòu)計算系統(tǒng)，無論是片間異構(gòu)還是片內(nèi)異構(gòu)，都需要考慮如何建立完善的軟硬件體系來支撐全新異構(gòu)計算體系，進(jìn)而解決生態(tài)問題，使下游產(chǎn)業(yè)鏈用戶主動采用異構(gòu)計算技術(shù)。為應(yīng)對以上困難及挑戰(zhàn)，在以上三強(qiáng)中，Intel基于其工藝、技術(shù)的先進(jìn)性，在PC領(lǐng)域已向異構(gòu)計算技術(shù)路徑發(fā)展，目前已有CPU和GPU構(gòu)成的片間異構(gòu)和X86加SSE(Streaming SIMD Extensions)DSP的片內(nèi)異構(gòu)產(chǎn)品，并擇機(jī)向智能終端等移動計算領(lǐng)域拓展。

　　Intel公司在2015年6月以167億美元收購全球第二大FPGA公司Altera，成為目前全球唯一具備在片內(nèi)實現(xiàn)CPU+GPU+DSP+FPGA異構(gòu)能力的公司。OpenPOWER利用Power8等芯片在高性能計算領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢和IBM產(chǎn)品的應(yīng)用生態(tài)基礎(chǔ)，在高性能計算領(lǐng)域占有優(yōu)勢。OpenPOWER中CPU供應(yīng)商IBM聯(lián)合GPU芯片供應(yīng)商英偉達(dá)、FPGA供應(yīng)商賽靈思發(fā)布了CPU+GPU+FPGA的片間異構(gòu)計算系統(tǒng)，主要面向高端服務(wù)器市場。HSA主要提供片內(nèi)異構(gòu)多核解決方案——從片內(nèi)異構(gòu)IP(Intellectual Property)核到片內(nèi)異構(gòu)芯片，有效地解決了應(yīng)用軟件的重用和互用，以開放方式合作共建全球異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)。