兼容多種運算核心　HSA架構提高處理器能源效率

異質運算架構(HSA)將有助實現高效能、低功耗處理器設計。隨著HSA標準和軟體解決方案日益成熟，處理器研發(fā)人員將能利用此技術促進系統(tǒng)單芯片(SoC)內部的異質核心協(xié)同運作，并透過軟體將復雜任務分配至最合適的運算單元，進而兼顧高運算效率和低能源消耗。

異質運算的時代終于來臨，恰好能夠解救處理器設計者脫離為迎合摩爾定律的28奈米(nm)新制程成本增加問題。處理器設計師不必只是仰賴昂貴的低功率電晶體，而是可以透過系統(tǒng)架構改善，將軟體工作負載分配至不同異質運算單元，藉此協(xié)助降低能源消耗。

業(yè)界大廠合力推動　HSA技術受矚目

近年來，處理器能源效率的進步，多半是因為朝小型化半導體制程的迅速發(fā)展，隨著制造技術的推陳出新，每一電晶體的成本不斷提高，異質系統(tǒng)架構(Heterogenous System Architecture， HSA)等替代技術因此而崛起。

不同于仰賴相同通用中央處理器(CPU)核心的同質處理器架構，HSA連結多種運算核心，如CPU、繪圖處理器(GPU)、數位訊號處理器(DSP)、現場可編程閘陣列(FPGA)及固定功能硬體等，各類核心針對不同類型的應用工作負載而優(yōu)化。

由超微半導體(AMD)、安謀國際(ARM)、Imagination、聯發(fā)科、高通(Qualcomm)、三星電子(Samsung Electronics)與德州儀器(TI)等所設立的“HSA基金會”，旨在確保應用程式能夠將任務分配至對于特定工作負載具有最高電源效率的超微次世代繪圖核心(GCN)運算單元，藉此妥善管理應用程式執(zhí)行。HSA基金會建立一套連接異質運算核心的開放標準，讓各家業(yè)者得以各自發(fā)展支援共同軟體基礎架構的解決方案，從而實現具有高效能及高電源效率的異質應用。

同時支援x86/ARM架構　HSA實現跨平臺設計

超微半導體于2014年初發(fā)表A系列加速處理器(APU)--Kaveri，可支援HSA功能。軟體業(yè)者能夠利用該系統(tǒng)，設計出廣泛部署支援HSA之應用程式所需的軟體開發(fā)工具。

HSA 的重要特性之一是能跨平臺支援x86產品及安謀國際架構產品，并具備開發(fā)系統(tǒng)，可供開發(fā)支援HSA中間語言(HSAIL)的編譯器及其他工具，促進真正的可攜式應用。2014年6月首次公開發(fā)布HSA系統(tǒng)架構規(guī)格(暫定為版本1.0)后，現已有更多軟體開發(fā)團隊能夠得知HSA的詳情，進而利用更為簡單的 HSA異質運算編程模型開發(fā)出新的節(jié)電演算法。

由于目前系統(tǒng)效能擴展受限于電力消耗，超微半導體已著手研發(fā)支援高度平行任務，可于 CPU與GPU間無縫平移的異質運算形式。這項技術創(chuàng)新構成HSA的基礎，帶來加強能源效率，同時提升效能并維持可編程性的契機。而要整合CPU與GPU 于同一芯片，關鍵就在于GPU的設計。

每單位能源消耗所完成的工作是通用的能源效率指標。舉例來說，一臺筆記型電腦的效率越高，就能讓使用者以越少的電池耗電量及越低的發(fā)熱程度完成相同任務。就行動運算而言，美國能源之星計畫(United States Energy Star Program)制定一套典型耗能的合理概算標準;特別的是，這套標準是以“短期閑置”電力為主要依據。

一般而言，存取文件或打開網頁之后，使用者會花時間檢視結果。這樣的閑置期間在現代系統(tǒng)中可能短如按鍵輸入之間或影片訊框之間的間隔，這段時間處理器會進入低耗電狀態(tài)。因此，超微半導體將運算能力除以標準能源使用，定義為其行動裝置芯片的通常使用效率。例如，將兩臺效能相近的筆記型電腦相較，使用者必然偏好電池續(xù)航力較長的機種。同樣地，若將兩臺電池續(xù)航力相同的筆記型電腦相較，使用者必然也會傾向選擇效能較高且反應速度較快的那一臺。這兩種情況都能透過標準使用能源效率指標具體呈現。

超微半導體計畫于未來6年之內將標準使用能源效率提升二十五倍，且已委托市場分析公司Tirias Research技術分析師就此目標加以評估，并為超微半導體所做研究的結果統(tǒng)整成一份技術白皮書，公布于Tirias Research網站。

為達成二十五倍如此積極的目標，超微半導體將廣泛運用各種資源，除著重架構、設計及軟體等方面之外，還將輔以矽晶圓制程技術。具體而言，超微半導體將聚焦于以下三大面向：

.智能即時電源管理的改善

這些改良有助于降低閑置耗電，并發(fā)揮快速完成工作以更快回復低耗電狀態(tài)的“加速進入閑置模式(Race To Idle)”優(yōu)點。

.強化異質運算能力

HSA能夠幫助APU提升一般工作負載效能(如以PCMark 8 v2.0等產業(yè)標準為基準測試所示)，以及新興的視覺導向互動工作負載(如自然使用者介面連同影像及語音辨識)。

.高電源效率實施的創(chuàng)新

透過運用如先進功率閘控、低電壓操作等技術以及進一步整合系統(tǒng)組件等做法，提升APU矽智財(IP)效率。

Tirias Research指出，將降低閑置耗電及智能化電源管理所達成的節(jié)電功效，同時與異質運算效能提升和程序改善相結合。超微半導體應能達成在2014?2020年之間實現二十五倍標準使用能源效率改善的目標。

超微半導體目前已將筆記型電腦中的GPU、記憶體控制器、輸入/輸出(I/O)控制器及周邊匯流排等系統(tǒng)組件全部都整合于單一晶粒中，可實現同時監(jiān)控 CPU 與GPU的精密化電源管理。這項技術能夠有效平衡兩種單元之間的電力最佳化，將散熱能力集中在最須要散熱的單元。除此之外，將GPU移至CPU晶粒，可以減少所需要之記憶體介面數量，同時還可以達到省電之效果。

超微半導體的智能電源管理以專用晶?？刂破髯粉櫣?、溫度及各主要組件活動情形，使APU進一步提升效率。這種功率微控制器就像是“APU交響曲”的指揮，在正確的時間將處理重點導向正確的位置，其可快速回應熱事件，控制器能夠快速分配電力到CPU的特定部位，以發(fā)揮最大效能與效率。另外，也能判斷各單元何時最無活動現象，并將其運作降低至最小狀態(tài)或將之完全關閉。

處理元件若能以最短時間完成工作，然后進入最深休眠狀態(tài)，即達到其最大能源效率。這種“加速進入閑置模式”行為對于網頁瀏覽、文件編輯和相片編輯等多數消費者導向任務都很有助益。協(xié)調GPU與CPU的使用能夠使APU更快完成任務，然后降低功率、減少總耗能(能量=功率×時間)。此一耗電狀態(tài)過渡時間應極短，使單元盡快降低功率，讓處理器能夠在使用者進行按鍵輸入或影片訊框之間，就可進入閑置狀態(tài)。