徹底釋放運算能力 處理器邁向異質(zhì)系統架構

　　“傳統處理器架構受限GPU運算能力，故在硬體開(kāi)發(fā)上有許多限制，而異質(zhì)系統架構則可以讓CPU、GPU和其他處理器協(xié)同運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)運算(MobileComputing)與云端運算(CloudComputing)時(shí)代已然到來(lái)，次世代運算技術(shù)也正開(kāi)始其革命性的轉變，過(guò)去幾年間，異質(zhì)系統架構(HeterogeneousSystemArchitecture,HSA)儼然成為趨勢，并將成為現今最受歡迎的智慧聯(lián)網(wǎng)裝置的主導架構。

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

　　異質(zhì)系統架構加速軟體開(kāi)發(fā)進(jìn)度

　　異質(zhì)系統架構是指系統可讓包含CPU、GPU在內的不同運算單元能在單一晶片上和諧運作，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)系統架構聚焦軟體開(kāi)發(fā)者需求，設計跨平臺裝置以及通用的硬體平臺。另外，異質(zhì)系統架構的概念系期望打造一個(gè)單一架構規格并簡(jiǎn)化程式開(kāi)發(fā)，協(xié)助軟體開(kāi)發(fā)業(yè)者進(jìn)一步發(fā)揮現今GPU的絕佳優(yōu)勢，并透過(guò)搭載于異質(zhì)性處理器內的平行運算引擎，徹底釋放更佳的效能并提升用電效率。

　　基于異質(zhì)系統架構的標準化異質(zhì)性編程模式，讓開(kāi)發(fā)者在可負擔的成本下更容易推動(dòng)客制化的軟體，并于現今達555億美元且持續成長(cháng)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)系統架構簡(jiǎn)化平行運算的軟體開(kāi)發(fā)，讓軟體工程師能盡情運用異質(zhì)系統架構，開(kāi)發(fā)其所需要的客制化產(chǎn)品。

　　業(yè)界廠(chǎng)商與異質(zhì)系統架構基金會(huì )將協(xié)助開(kāi)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，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標準解決處理器運算難題

　　異質(zhì)運算系統架構結合CPU上的純量處理和GPU上的平行處理能力，訴求系統中的CPU、GPU協(xié)同運作，為達此效率，GPU的系統記憶體存取方式已有了顯著(zhù)的改變。

　　傳統處理器設計中，CPU和GPU各自獨立運作，且各具獨立的記憶體空間，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算問(wèn)題，業(yè)界提出一項新技術(shù)--異質(zhì)運算架構統一記憶體存取(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(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將內容復制到GPU的記憶體，此舉可以避免不必要的位址錯置或功耗浪費。

　　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據。

　　.分頁(yè)記憶體

　　允許GPU順暢的存取(還)沒(méi)出現在實(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虛擬記憶體空間內的任何位置。

　　推廣異質(zhì)運算技術(shù)HSA基金會(huì )誕生

　　異質(zhì)系統架構基金會(huì )成立于2012年，為一個(gè)獨立運作的非營(yíng)利組織，對所有致力于新一代運算效能與能源效率的業(yè)者保持開(kāi)放的態(tài)度，且歡迎具有前瞻性思維的半導體廠(chǎng)商、平臺供應商、作業(yè)系統業(yè)者、裝置制造商、獨立軟體廠(chǎng)商(ISV)、學(xué)者與開(kāi)放原始碼開(kāi)發(fā)者共同參與，一同挑戰整個(gè)標準系統架構，結合CPU、GPU、數位訊號處理器(DSP)及其他加速器，帶動(dòng)運算基礎更加進(jìn)步，使異質(zhì)性平行運算裝置的程式開(kāi)發(fā)大幅簡(jiǎn)化。

　　異質(zhì)系統架構基金會(huì )正在透過(guò)免權利金詳細計劃書(shū)(RoyaltyFreeSpecifications)和開(kāi)放源碼軟體來(lái)推動(dòng)其計劃。異質(zhì)系統架構基金會(huì )的成員針對異質(zhì)化運算推出性能強大的開(kāi)發(fā)解決方案，利用開(kāi)發(fā)工具、軟體開(kāi)發(fā)套件(SDK)、函式庫、技術(shù)文件、培訓，以及支援方案等資源，來(lái)推動(dòng)創(chuàng )新內容與應用，擴大異質(zhì)系統架構的影響范圍。

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

　　看好HSA發(fā)展廠(chǎng)商興致勃勃

　　異質(zhì)系統架構基金會(huì )總裁暨超微全球院士PhilRogers表示，異質(zhì)系統架構帶領(lǐng)業(yè)界走出沿用25年以上、對軟體創(chuàng )新有諸多限制的傳統系統架構。異質(zhì)系統架構正視軟體開(kāi)發(fā)者的需求，設計一個(gè)通用的硬體平臺，發(fā)展高效能且節能的解決方案。異質(zhì)系統架構開(kāi)創(chuàng )出全新的發(fā)展空間，含括個(gè)人電腦(PC)、智慧型手機、平板及超輕薄筆記型電腦(Ultrabook)，以及創(chuàng )新的超級電腦與云端服務(wù)，這些方案構成現代運算經(jīng)驗的定義。

　　超微異質(zhì)應用與開(kāi)發(fā)解決方案部門(mén)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)系統架構理想的藍圖，并著(zhù)手將CPU與GPU融合為單一處理引擎，打造為一個(gè)全新的設計架構，大幅簡(jiǎn)化異質(zhì)化平臺的編程作業(yè)。

　　ARM院士暨媒體處理器部門(mén)技術(shù)副總裁JemDavies表示，人們對于連結到數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)驗一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵因素，但往往會(huì )因此影響系統整體的電力表現。透過(guò)開(kāi)放性產(chǎn)業(yè)標準，開(kāi)發(fā)者可在不犧牲電力效率下，提供最卓越的繪圖表現。

　　另外，ImaginationTechnologies行銷(xiāo)副總裁TonyKing-Smith也表示，Imagination長(cháng)期以來(lái)一直認為異質(zhì)化處理架構是未來(lái)系統單晶片(SoC)設計能發(fā)揮其擴充性、彈性與效能的重要基礎。結合CPU與功能日益強大的整合繪圖晶片，加上符合各種業(yè)界標準的應用程式介面(API)，包括OpenCL、RenderscriptCompute與DirectCompute，將是邁向目標的第一步。

　　HSA架構APU下半年現身

　　超微正以其開(kāi)發(fā)加速處理器(APU)的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗，結合異質(zhì)運算架構標準，為客戶(hù)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)系統架構產(chǎn)品，代號為Kaveri的APU。

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

　　hUMA智慧運算架構前景看俏

　　異質(zhì)系統架構被預期將為未來(lái)處理器設計的樣貌帶來(lái)巨大沖擊，因為異質(zhì)系統架構，GPU和CPU成為系統中平等的要素和參與者。

　　CPU不論現在和未來(lái)都將是串列工作的最佳處理單元，這表示現今很多應用程式使用延遲敏感(LatencySensitive)的記憶體運算，而這些程式工作負載的設計有著(zhù)串列和純量的分別，且其程式碼有著(zhù)相當多的分支。另一種程式碼則是盡可能地進(jìn)行平行運算，此種程式碼有著(zhù)數以萬(wàn)計、甚至是數以千萬(wàn)計重復的資料運算動(dòng)作，而GPU極為適合此類(lèi)運算。

　　透過(guò)hUMA帶來(lái)的智慧運算架構，將可順暢地分配相應的工作任務(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)。