异构计算兴起 我国高端芯片产业将迎新机遇

 中国电子报、电子信息产业网  作者:赛迪智库集成电路产业研究所副所长 林雨
发布时间:2016-08-24
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  信息技术作为第三次产业革命代表性技术之一,极大地推动了信息产业的兴起与发展。当前,全球电子信息产业重点领域竞争格局此消彼长,半导体领域创新风起云涌,核心芯片技术发展变革步伐进一步加快,计算呈现出全新发展趋势,多种计算范式和架构正逐渐融合,开始进入“大计算”时代。从上世纪70年代Intel推出第一款处理器到现在,芯片架构历经单核、同构多核等不同时期,当前正迈向异构多核时代。伴随并行度提高,同构系统处理器核间的并行冗余越来越大,不可并行任务协调工作越来越多,导致系统性能增幅随冗余增大接近饱和。异构多核芯片的创新涉及软硬件等深层次创新融合与突破,是普适计算领域新热点,也是信息产业发展重要新拐点。

  全球异构计算呈现三强鼎立

  信息技术正呈现云计算与端计算、软件与硬件、智能与交互、计算与通信等多种技术融合发展态势。历经单核、同构多核等技术发展,异构多核计算芯片及系统是高性能计算、商业计算、移动计算等应用发展的必然选择。

  异构计算系统有两种实现方式:一是将多个不同类型处理器芯片通过片间集成的方式实现节点级异构计算(称之为片间异构);二是基于单(硅)片内集成多个不同处理器内核的异构计算芯片实现,即异构计算在芯片级实现(称之为片内异构)。第二种异构计算芯片技术是当前最新技术。

  异构计算芯片是将不同架构的中央处理器CPU(Central Processing Unit)、图形处理器GPU (Graphics Processing Unit)、数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field Programmable Gate Array)等特定硬件加速单元依据相关技术标准和规范有机内在融合在一颗芯片上,任务由最合适的工作单元来承担,不同异构内核之间实现协同计算。随着同构多核达到一定程度,通过核的堆叠提升计算性能遇到严重挑战,芯片级异构计算能够消除同构计算时CPU、GPU、DSP之间数据传输时间,大大提升计算效率,并且以良好的性能协同支持图形处理、信息通信、人工智能、大数据等多领域应用,基于统一编程规范和标准,能大幅减小软件开发编程难度、降低产品研制和维护成本。芯片级异构计算已经成为解决计算与效能瓶颈的主流技术之一。

  当前,全球异构计算领域呈现三强鼎立的态势,分别是以AMD、高通、ARM、三星、北京华夏芯等为主体的全球异构计算系统HSA(Heterogeneous System Architecture)联盟,以IBM、Google、英伟达为主OpenPOWER联盟和以Intel主导的异构计算体系。其中,Intel公司异构计算体系主要为其自身系列产品和服务使用,在PC与高性能移动计算领域优势明显;HSA是完全开放的异构计算联盟,由于ARM、高通、三星等巨头参与,在高性能移动计算领域拥有显著优势。OpenPOWER联盟以IBM POWER芯片架构技术为基础,成立时间最晚,主要面向高性能计算领域应用。

  异构计算作为新兴技术同样面临诸多问题和挑战,例如从传统同构系统、片间异构到片内多核异构,如何对应不同的编程方式、软硬件架构以及生态系统等;对于异构计算系统,无论是片间异构还是片内异构,都需要考虑如何建立完善的软硬件体系来支撑全新异构计算体系,进而解决生态问题,使下游产业链用户主动采用异构计算技术。为应对以上困难及挑战,在以上三强中,Intel基于其工艺、技术的先进性,在PC领域已向异构计算技术路径发展,目前已有CPU和GPU构成的片间异构和X86加SSE(Streaming SIMD Extensions)DSP的片内异构产品,并择机向智能终端等移动计算领域拓展。Intel公司在2015年6月以167亿美元收购全球第二大FPGA公司Altera,成为目前全球唯一具备在片内实现CPU+GPU+DSP+FPGA异构能力的公司。OpenPOWER利用Power8等芯片在高性能计算领域的技术优势和IBM产品的应用生态基础,在高性能计算领域占有优势。OpenPOWER中CPU供应商IBM联合GPU芯片供应商英伟达、FPGA供应商赛灵思发布了CPU+GPU+FPGA的片间异构计算系统,主要面向高端服务器市场。HSA主要提供片内异构多核解决方案——从片内异构IP(Intellectual Property)核到片内异构芯片,有效地解决了应用软件的重用和互用,以开放方式合作共建全球异构计算产业生态。

  自2010年起,全球主流芯片厂商均加大新一代异构多核处理器芯片(片内异构)的研发力度。2015年10月,AMD发布全球第一款支持HSA标准规范的片内异构(CPU+GPU)多核桌面计算机处理器芯片;ARM和Imagination预期在2016年推出支持HSA架构的异构处理器IP核;我国华夏芯已发布支持HSA处理器系列工具链,并即将发布基于CPU、GPU、DSP的三核异构处理器内核的IP核及产品;联发科发布了片内异构处理器的路线图;高通、三星以及英伟达和IBM正在合作研发片内异构处理器产品。由此可见,异构处理器大规模应用的爆发期即将到来。预计未来全球范围内,在手机、平板及其他嵌入式芯片等高性能移动计算领域,异构多核芯片市场规模约20亿片,销售额约400亿美元;在台式电脑、笔记本电脑及工业控制等个人及专业计算机领域,市场规模约3亿片,销售额约550亿美元;在大数据、人工智能等高性能计算机领域,市场规模约1000万片,销售额约200亿美元。当前,全球正在研发片内异构处理器IP核的公司主要有ARM、Imagination和北京华夏芯,已经推出或者计划推出异构多核处理器芯片的企业主要有AMD、Intel、高通、英伟达等。

  全球HSA、OpenPOWER等异构计算产业联盟其主要目标有两个:一是主导制定与异构计算相关行业标准、规范,推动产品互操作性测试和验证;二是联盟成员合作共建异构计算全球应用生态,共同抗衡Intel公司在异构计算领域强大优势。目前异构计算领域在全球影响最大、最先推出产品的HSA联盟是2012年由美国AMD公司发起,由约60家处理器设计、工具设计、软件设计等公司以及大学等科研机构共同组成。该联盟成员有AMD、ARM、高通、三星、联发科、德州仪器、Imagination、LG、华夏芯、华为等公司。联盟主要目标是:主导制定异构计算相关行业标准与规范,推动产品互操作性测试和验证;联盟成员合作共建异构计算全球应用生态。基于HSA颁布的软硬件系列接口标准和规范,业界可以设计非常丰富的产品,几乎覆盖了从低功耗嵌入式、智能终端、平板电脑、PC桌面系统到云端服务器等绝大多数设备。华夏芯在HSA联盟中首次提出将DSP纳入HSA系统构架及编译支撑,为异构系统的扩展做出了重要贡献。

  将推动我国高端芯片产业发展

  异构多核计算芯片及系统可广泛应用于高性能计算机、桌面计算机、智能终端等消费类电子产品以及装备制造、国防军工等各领域。

  首先,异构多核计算芯片具有优势。与传统同构多核计算芯片相比,异构多核计算芯片优势主要体现在如下方面:一是性能与功耗优势。在同等功耗条件下,异构多核计算芯片大幅提升计算效能。二是产品开发优势。异构多核计算芯片基于严谨标准体系,不同种类处理器单元之间能有机融合和对接,大幅降低产品开发门槛,使更多开发者可加入应用和产品开发创新。三是差异化创新优势。在兼容相关标准前提下,异构计算鼓励芯片设计人员自由选择处理器单元,甚至可以设计自主的处理器和指令集,从而给处理器创新创造巨大空间。四是生态构建优势。异构计算芯片在软、硬件之间实现解耦,不同厂商芯片部件之间实现无缝对接和整合,在生态共建方面具有着巨大优势,大幅降低传统单核与同构多核时代生态瓶颈所带来的研发障碍。

  其次,芯片级异构计算推动我国高端芯片产业发展。高端芯片是软硬件创新基石,尽管我国已获得了Power、ARM、MIPS等架构授权,但设计高端芯片所需IP不够丰富,我国相关技术团队对其获授权架构尚不能实现完全解构。如不能完全掌握IP核技术,那么一旦授权中止,仍存在断货及安全风险,因此目前不能算自主可控。同时我国虽已在MIPS等指令集核心芯片上取得一定技术与市场进展,但后续生态环境的建设仍面临巨大挑战。指令集并没有优劣之分,任何一个完备指令集都能够用来编程实现用户给定的任务,生态环境建设是指令集优劣唯一评价标准。国产高端芯片所要进入的市场是传统处理器大厂已经几乎垄断的市场,在市场和技术竞争日益激烈的今天,选择非主流技术路线就意味着脱离了生态环境大家庭,注定没有发展出路。唯有兼容主流,依靠其生态、发展其生态,才能使国产处理器站在一个比较高的起点上,具备与国际厂商同台竞技的资格。当前,处理器对生态系统的依赖从PC开始逐步减弱。因此,从工控市场、手机、智能电视、车载终端到高端服务器和存储设备,国产高端芯片生态系统的问题都能够相对容易解决。随着HSA的建立与发展,HSA框架下的生态问题变得越来越小。在HSA框架下,生态系统支持由包括ARM、AMD、高通、Imagination、联发科、华夏芯等数十家芯片公司在内的HSA直接提供,无需开发独立生态系统。当前,CPU+GPU+DSP+FPGA的异构融合是芯片领域的主流发展趋势之一,这对我国芯片产业既是挑战又是机遇,需进一步加大布局,尽快推动异构计算芯片技术与产业生态建立。

  发展异构多核计算芯片技术与产业,第一,可以摆脱我国在传统架构芯片上与Intel等国外主流芯片厂商竞争的不利局面。在异构处理器芯片上,我国与国外主流处理器厂商处在同一起跑线上,共同参与新一代异构多核处理器的设计、测试与应用。第二,可以实现异构多核处理器与国产操作系统的无缝对接与共同支撑,基于国产操作系统和国产异构多核处理器,形成牢固支撑中国信息安全的技术和产业平台。第三,可以构建由中国主导的异构计算应用生态系统。借助我国在市场、应用等方面优势地位和影响力,形成完全自主可控国产高端处理器生态系统,推进产业自主创新,兼容并蓄,使之成为国际主流的技术路径和生态体系。

  应加快推进我国异构计算产业实力

  我国目前除华夏芯、华为和江南计算技术研究所外,尚无其他从事完全自主知识产权异构多核芯片设计公司。当前我国发展芯片级异构计算技术与产业存在追踪片内异构计算的大学和企业少、投入不足、整个产业链基础薄弱、缺乏高端人才等诸多问题。

  近二十年来,我国开展多个核心处理器研究项目,取得了包括龙芯、申威、飞腾、众志、兆芯、中晟宏芯等一系列国产处理器成果,覆盖了几乎国际上所有主流、非主流的指令架构。例如:中科院龙芯以MIPS核心架构为基础开发了一系列高端处理器,江南计算技术研究所研制的申威处理器,我国电子信息产业集团有限公司生产基于ARM V8指令集的FT-1500A系列处理器,上海兆芯收购了我国台湾威盛VIA的X86技术和梯队,研发基于Intel X86构架超标量CPU处理器,苏州中晟宏芯参加OpenPOWER联盟,研制了IBM Power 8 CPU。以上成果主要集中在传统同构计算处理器领域,与国外同构计算处理器最高水平差距约在一代左右。

  在芯片级异构计算领域,目前华夏芯、华为、江南计算技术研究所正在开展自主知识产权异构处理器设计研发。其中,华为主要以ARM异构计算处理器核为基础设计异构计算芯片和下游产品。江南计算技术研究所研制了“申威-3”高性能异构众核处理器,是国际上首款万亿次片上融合异构众核处理器,成功应用于“神州VI”超级计算机。华夏芯公司设计的CPU+GPU+DSP芯片IP核平台,从指令集、微架构到工具链具有完全自主知识产权,在高性能移动计算领域处于国际领先地位。

  长期以来,我国在半导体芯片领域主要遵循跟随战略,导致在核心技术领域自主创新能力弱,缺乏话语权。例如,对异构处理器新技术不敏感,没有及时跟进HSA的硬件、过渡语言和并行编程软件的路线图与协议等。

  一是对异构计算芯片的重要性认识不足,相关研发机构少。片内异构多核计算芯片是构建中国处理器产业全球优势的重要机遇,但国内除华夏芯、华为、江南计算技术研究所等少数企事业单位外,大部分处理器设计企事业单位仍在花巨资许可、引进、研发传统同构多核计算架构。这可能导致异构多核计算核心专利、生态系统被国外巨头抢先布局和垄断,阻碍我国核心芯片技术突破和创新。

  二是异构计算系统技术包括芯片、总线及接口、编程工具、存储管理、应用软件技术等等。异构多核芯片原始创新投入大,一般企业承受力有限。在核心技术诸如异构多核架构指令集、微架构、工具链设计等环节需投入大量资金和时间以实现自主知识产权突破,导致企业自身压力大。

  三是对异构多核高端处理器芯片领域的新态势、新商业模式研究较少,不擅长利用全球高端处理器芯片开放技术、标准资源。我国到目前为止尚未有效实现利用自身巨大市场和用户资源优势影响全球高端处理器芯片相关联盟朝着对我国技术和产业突破有利的方向发展。

  四是发展异构多核高端芯片,需要一流的技术人才支撑,而我国大部分高端处理器芯片设计企业起点低、基础薄弱,缺乏核心技术领军人才和高端设计人才。我国高端处理器芯片产业需在全球范围内吸纳高端技术与产业领军人才。

  借船出海 建立产业生态

  异构计算并不容易,笔者建议应从以下几个方面着手。

  首先,以芯片级异构计算技术推动高端芯片产业发展。异构计算芯片非常好地支持了全球信息技术领域计算与通信、软件与硬件、高性能与低功耗等不同领域技术融合发展趋势。目前我国高端处理器芯片设计企业基础薄弱,缺乏核心技术,没有形成合力,仅凭自身实力无法与国际主流厂商对等抗衡。芯片级异构计算技术是一个重要的发展机遇,依托HSA全球联盟,建立有利于我国的优势生态,可迅速推动我国高端芯片技术与产业的发展,后发赶超。我们应当抓住这一处理器领域千载难逢的创新和发展机遇,积极把片内异构计算与我国高端处理器芯片技术的发展、工业4.0、互联网+以及大众创业、万众创新紧密结合。

  其次,以异构计算芯片推动端计算融合发展。当前,新一代信息技术加速向生产性服务业渗透,推动互联网与工业融合创新,并驱动传统信息领域企业加速向实体经济转型。端计算体系相关技术与产品正向形态多样、高效智能、全面渗透的方向融合发展,由此对端计算芯片也提出更高性能需求(需要既能满足计算密集应用,也能满足数据密集应用的需求)。异构计算芯片将海量数据级并行作业从过去由CPU承担分配到GPU和DSP中运行,并让CPU、GPU、DSP处理器之间实现协同计算,消除过去同构计算时CPU、GPU、DSP之间数据同步和传输开销,从而数十倍提升计算效能。片内异构计算芯片既能满足计算密集型高性能计算应用的需求,也能满足数据密集型事物处理应用的需求,可作为发展端计算技术体系的重要核心技术。

  再次,依托HAS借船出海,建立高端芯片产业生态。我国应积极参与全球异构计算产业联盟和标准的各项研究、共建项目。2010年后,异构计算技术与产业才在全球发展,虽然美国在芯片领域有更多的技术、市场与生态优势,但参与、主导并推广HSA让我们有机会和美国站在异构计算同一个起跑线上。当前,华夏芯已经成为HSA的董事、发起人(Promoter),2015年10月21日,华夏芯公司副总当选为HSA总裁。通过HSA联盟借船出海,依托全球对抗Intel产业力量,面向兼容标准构建高端芯片自主核心技术产业生态是可行途径。

  最后,尽快筹建我国新一代异构多核计算芯片产业联盟。当前,我国应积极筹建新一代异构多核计算芯片产业联盟,打造有利于我国自主发展和主导的国际化生态应用系统。异构计算产业分工细,在专用领域技术门槛高,创新空间大,这些特征非常有利于我国的相关企业和研究单位的共同参与,发挥我国在软件应用与(集成电路)定制芯片方面的群体优势,提升异构计算产业在全球的份额和地位;同时,构建我国异构计算产业联盟和标准平台也将为相关企业参与国际一流的技术创新和产业协作提供了前所未有的舞台。


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:赵晨
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