徹底釋放運(yùn)算能力 處理器邁向異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)

　　“傳統(tǒng)處理器架構(gòu)受限GPU運(yùn)算能力，故在硬體開發(fā)上有許多限制，而異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)則可以讓CPU、GPU和其他處理器協(xié)同運(yùn)作于單一晶片與單一記憶體位址，并順暢分配工作，讓最適合的單元處理特定任務(wù)，以提高效能并降低功耗。

　　行動(dòng)運(yùn)算(MobileComputing)與云端運(yùn)算(CloudComputing)時(shí)代已然到來(lái)，次世代運(yùn)算技術(shù)也正開始其革命性的轉(zhuǎn)變，過(guò)去幾年間，異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)(HeterogeneousSystemArchitecture,HSA)儼然成為趨勢(shì)，并將成為現(xiàn)今最受歡迎的智慧聯(lián)網(wǎng)裝置的主導(dǎo)架構(gòu)。

　　傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)軟體創(chuàng)新有諸多限制，異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)則正視軟體開發(fā)者的需求，提供一個(gè)可貴的跨平臺(tái)、跨作業(yè)系統(tǒng)方案，讓各種應(yīng)用程式開發(fā)者能更盡情開發(fā)各種軟體，發(fā)展出高效能、低功耗且最能順應(yīng)時(shí)代快速變遷的解決方案。傳統(tǒng)處理系統(tǒng)架構(gòu)并非著重于繪圖處理器(GPU)運(yùn)算能力的完全釋放，故在開發(fā)上有諸多限制。異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)的目標(biāo)則是使中央處理器(CPU)與GPU間如陰與陽(yáng)般完美協(xié)同運(yùn)作，讓程式開發(fā)者能使用各種硬體，盡情地開發(fā)出高效能、低功耗且能順應(yīng)快速變動(dòng)的使用者需求的解決方案。

　　異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)加速軟體開發(fā)進(jìn)度

　　異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)是指系統(tǒng)可讓包含CPU、GPU在內(nèi)的不同運(yùn)算單元能在單一晶片上和諧運(yùn)作，順暢移動(dòng)并分配工作，讓最適合的單元處理特定工作任務(wù)(圖1)。

　　異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)聚焦軟體開發(fā)者需求，設(shè)計(jì)跨平臺(tái)裝置以及通用的硬體平臺(tái)。另外，異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)的概念系期望打造一個(gè)單一架構(gòu)規(guī)格并簡(jiǎn)化程式開發(fā)，協(xié)助軟體開發(fā)業(yè)者進(jìn)一步發(fā)揮現(xiàn)今GPU的絕佳優(yōu)勢(shì)，并透過(guò)搭載于異質(zhì)性處理器內(nèi)的平行運(yùn)算引擎，徹底釋放更佳的效能并提升用電效率。

　　基于異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化異質(zhì)性編程模式，讓開發(fā)者在可負(fù)擔(dān)的成本下更容易推動(dòng)客制化的軟體，并于現(xiàn)今達(dá)555億美元且持續(xù)成長(zhǎng)的異質(zhì)性處理器(亦即混合式處理器)市場(chǎng)中獲益。異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)化平行運(yùn)算的軟體開發(fā)，讓軟體工程師能盡情運(yùn)用異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)其所需要的客制化產(chǎn)品。

　　業(yè)界廠商與異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)基金會(huì)將協(xié)助開創(chuàng)軟體創(chuàng)新的新時(shí)代，打造前所未有的使用者經(jīng)驗(yàn)，提升云端資料管理、串流傳輸以及資料安全等。

　　CPU/GPU共享同一記憶體空間hUMA標(biāo)準(zhǔn)解決處理器運(yùn)算難題

　　異質(zhì)運(yùn)算系統(tǒng)架構(gòu)結(jié)合CPU上的純量處理和GPU上的平行處理能力，訴求系統(tǒng)中的CPU、GPU協(xié)同運(yùn)作，為達(dá)此效率，GPU的系統(tǒng)記憶體存取方式已有了顯著的改變。

　　傳統(tǒng)處理器設(shè)計(jì)中，CPU和GPU各自獨(dú)立運(yùn)作，且各具獨(dú)立的記憶體空間，讓處理器有許多無(wú)效率及效能瓶頸的情形。

　　為解決CPU與GPU記憶體空間各自分立的運(yùn)算問(wèn)題，業(yè)界提出一項(xiàng)新技術(shù)--異質(zhì)運(yùn)算架構(gòu)統(tǒng)一記憶體存取(heterogeneousUniformMemoryAccess,hUMA)。

　　透過(guò)hUMA，CPU和GPU能共享并存取同一個(gè)記憶體空間，GPU亦可直接存取CPU的記憶體位址，如圖2所示。

　　hUMA架構(gòu)可以讓GPU完全存取CPU的記憶體位址，并且讓CPU和GPU在記憶體空間上所讀取的資訊保持一致。CPU只須移動(dòng)指標(biāo)(Pointer)將相關(guān)資訊傳遞到GPU，GPU便可以直接存取資料，毋須等待CPU將內(nèi)容復(fù)制到GPU的記憶體，此舉可以避免不必要的位址錯(cuò)置或功耗浪費(fèi)。

　　hUMA帶來(lái)的硬體一致性，包含以下三個(gè)主要功能：

　　.一致記憶體

　　確保CPU和CPU快取記憶體可以同步看到最新的資料數(shù)據(jù)。

　　.分頁(yè)記憶體

　　允許GPU順暢的存取(還)沒(méi)出現(xiàn)在實(shí)際記憶體(PhysicalMemory)中的虛擬記憶體位址。

　　.整體記憶體空間

　　CPU和GPU都可以存取并分配系統(tǒng)虛擬記憶體空間內(nèi)的任何位置。

　　推廣異質(zhì)運(yùn)算技術(shù)HSA基金會(huì)誕生

　　異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)基金會(huì)成立于2012年，為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)作的非營(yíng)利組織，對(duì)所有致力于新一代運(yùn)算效能與能源效率的業(yè)者保持開放的態(tài)度，且歡迎具有前瞻性思維的半導(dǎo)體廠商、平臺(tái)供應(yīng)商、作業(yè)系統(tǒng)業(yè)者、裝置制造商、獨(dú)立軟體廠商(ISV)、學(xué)者與開放原始碼開發(fā)者共同參與，一同挑戰(zhàn)整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合CPU、GPU、數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)及其他加速器，帶動(dòng)運(yùn)算基礎(chǔ)更加進(jìn)步，使異質(zhì)性平行運(yùn)算裝置的程式開發(fā)大幅簡(jiǎn)化。

　　異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)基金會(huì)正在透過(guò)免權(quán)利金詳細(xì)計(jì)劃書(RoyaltyFreeSpecifications)和開放源碼軟體來(lái)推動(dòng)其計(jì)劃。異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)基金會(huì)的成員針對(duì)異質(zhì)化運(yùn)算推出性能強(qiáng)大的開發(fā)解決方案，利用開發(fā)工具、軟體開發(fā)套件(SDK)、函式庫(kù)、技術(shù)文件、培訓(xùn)，以及支援方案等資源，來(lái)推動(dòng)創(chuàng)新內(nèi)容與應(yīng)用，擴(kuò)大異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)的影響范圍。

　　目前的創(chuàng)始會(huì)員包括超微、安謀國(guó)際(ARM)、ImaginationTechnologies、聯(lián)發(fā)科、德州儀器(TI)、三星(Samsung)與高通(Qualcomm)。其余異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)基金會(huì)成員還有Apical、Network-on-chip矽智財(cái)公司Arteris和Sonics、軟體工具公司MulticoreWare、影像開發(fā)專業(yè)公司和圖型與GPU計(jì)算科技公司Vivante，以及軟體外包商新必優(yōu)資訊(Symbio)。

　　看好HSA發(fā)展廠商興致勃勃

　　異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)基金會(huì)總裁暨超微全球院士PhilRogers表示，異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)帶領(lǐng)業(yè)界走出沿用25年以上、對(duì)軟體創(chuàng)新有諸多限制的傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)。異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)正視軟體開發(fā)者的需求，設(shè)計(jì)一個(gè)通用的硬體平臺(tái)，發(fā)展高效能且節(jié)能的解決方案。異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)開創(chuàng)出全新的發(fā)展空間，含括個(gè)人電腦(PC)、智慧型手機(jī)、平板及超輕薄筆記型電腦(Ultrabook)，以及創(chuàng)新的超級(jí)電腦與云端服務(wù)，這些方案構(gòu)成現(xiàn)代運(yùn)算經(jīng)驗(yàn)的定義。

　　超微異質(zhì)應(yīng)用與開發(fā)解決方案部門全球副總裁ManjuHegde則指出，超微在1年多前率先宣布實(shí)踐異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)理想的藍(lán)圖，并著手將CPU與GPU融合為單一處理引擎，打造為一個(gè)全新的設(shè)計(jì)架構(gòu)，大幅簡(jiǎn)化異質(zhì)化平臺(tái)的編程作業(yè)。

　　ARM院士暨媒體處理器部門技術(shù)副總裁JemDavies表示，人們對(duì)于連結(jié)到數(shù)位世界的科技需求日益升高，而圖形繪圖介面則是打造優(yōu)質(zhì)使用經(jīng)驗(yàn)一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵因素，但往往會(huì)因此影響系統(tǒng)整體的電力表現(xiàn)。透過(guò)開放性產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)者可在不犧牲電力效率下，提供最卓越的繪圖表現(xiàn)。

　　另外，ImaginationTechnologies行銷副總裁TonyKing-Smith也表示，Imagination長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為異質(zhì)化處理架構(gòu)是未來(lái)系統(tǒng)單晶片(SoC)設(shè)計(jì)能發(fā)揮其擴(kuò)充性、彈性與效能的重要基礎(chǔ)。結(jié)合CPU與功能日益強(qiáng)大的整合繪圖晶片，加上符合各種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程式介面(API)，包括OpenCL、RenderscriptCompute與DirectCompute，將是邁向目標(biāo)的第一步。

　　HSA架構(gòu)APU下半年現(xiàn)身

　　超微正以其開發(fā)加速處理器(APU)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合異質(zhì)運(yùn)算架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為客戶打造出更高效能、更低功耗的處理器。超微將于2013年下半年推出第一款基于異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)品，代號(hào)為Kaveri的APU。

　　日前，超微也發(fā)表代號(hào)為柏林(Berlin)的伺服器APU，期望能提供卓越的每瓦運(yùn)算效能，并造就高運(yùn)算密度，柏林預(yù)定在2014年第一季問(wèn)世。

　　hUMA智慧運(yùn)算架構(gòu)前景看俏

　　異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)被預(yù)期將為未來(lái)處理器設(shè)計(jì)的樣貌帶來(lái)巨大沖擊，因?yàn)楫愘|(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)，GPU和CPU成為系統(tǒng)中平等的要素和參與者。

　　CPU不論現(xiàn)在和未來(lái)都將是串列工作的最佳處理單元，這表示現(xiàn)今很多應(yīng)用程式使用延遲敏感(LatencySensitive)的記憶體運(yùn)算，而這些程式工作負(fù)載的設(shè)計(jì)有著串列和純量的分別，且其程式碼有著相當(dāng)多的分支。另一種程式碼則是盡可能地進(jìn)行平行運(yùn)算，此種程式碼有著數(shù)以萬(wàn)計(jì)、甚至是數(shù)以千萬(wàn)計(jì)重復(fù)的資料運(yùn)算動(dòng)作，而GPU極為適合此類運(yùn)算。

　　透過(guò)hUMA帶來(lái)的智慧運(yùn)算架構(gòu)，將可順暢地分配相應(yīng)的工作任務(wù)至最適合的處理單元，使CPU、GPU和其他處理器協(xié)同運(yùn)作于單一晶片和單一記憶體位址上，且順暢移動(dòng)并分配工作，讓最適合的單元來(lái)處理特定工作任務(wù)。