全球異構計算三強鼎立 我國高端芯片產(chǎn)業(yè)迎新機遇

　　當前，全球電子信息產(chǎn)業(yè)重點領域競爭格局此消彼長，半導體領域創(chuàng)新風起云涌，核心芯片技術發(fā)展變革步伐進一步加快，計算呈現(xiàn)出全新發(fā)展趨勢，多種計算范式和架構正逐漸融合，開始進入“大計算”時代。從上世紀70年代Intel推出第一款處理器到現(xiàn)在，芯片架構歷經(jīng)單核、同構多核等不同時期，當前正邁向異構多核時代。伴隨并行度提高，同構系統(tǒng)處理器核間的并行冗余越來越大，不可并行任務協(xié)調(diào)工作越來越多，導致系統(tǒng)性能增幅隨冗余增大接近飽和。異構多核芯片的創(chuàng)新涉及軟硬件等深層次創(chuàng)新融合與突破，是普適計算領域新熱點，也是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要新拐點。

　　全球異構計算呈現(xiàn)三強鼎立

　　異構計算系統(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)點級異構計算(稱之為片間異構);二是基于單(硅)片內(nèi)集成多個不同處理器內(nèi)核的異構計算芯片實現(xiàn)，即異構計算在芯片級實現(xiàn)(稱之為片內(nèi)異構)。第二種異構計算芯片技術是當前最新技術。

　　異構計算芯片是將不同架構的中央處理器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)相關技術標準和規(guī)范有機內(nèi)在融合在一顆芯片上，任務由最合適的工作單元來承擔，不同異構內(nèi)核之間實現(xiàn)協(xié)同計算。

　　隨著同構多核達到一定程度，通過核的堆疊提升計算性能遇到嚴重挑戰(zhàn)，芯片級異構計算能夠消除同構計算時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)等多領域應用，基于統(tǒng)一編程規(guī)范和標準，能大幅減小軟件開發(fā)編程難度、降低產(chǎn)品研制和維護成本。芯片級異構計算已經(jīng)成為解決計算與效能瓶頸的主流技術之一。

　　當前，全球異構計算領域呈現(xiàn)三強鼎立的態(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計算系統(tǒng)HSA(Heterogeneous System Architecture)聯(lián)盟，以IBM、Google、英偉達為主OpenPOWER聯(lián)盟和以Intel主導的異構計算體系。其中，Intel公司異構計算體系主要為其自身系列產(chǎn)品和服務使用，在PC與高性能移動計算領域優(yōu)勢明顯;HSA是完全開放的異構計算聯(lián)盟，由于ARM、高通、三星等巨頭參與，在高性能移動計算領域擁有顯著優(yōu)勢。OpenPOWER聯(lián)盟以IBM POWER芯片架構技術為基礎，成立時間最晚，主要面向高性能計算領域應用。

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

　　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異構能力的公司。OpenPOWER利用Power8等芯片在高性能計算領域的技術優(yōu)勢和IBM產(chǎn)品的應用生態(tài)基礎，在高性能計算領域占有優(yōu)勢。OpenPOWER中CPU供應商IBM聯(lián)合GPU芯片供應商英偉達、FPGA供應商賽靈思發(fā)布了CPU+GPU+FPGA的片間異構計算系統(tǒng)，主要面向高端服務器市場。HSA主要提供片內(nèi)異構多核解決方案——從片內(nèi)異構IP(Intellectual Property)核到片內(nèi)異構芯片，有效地解決了應用軟件的重用和互用，以開放方式合作共建全球異構計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)。