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(diǎn)領(lǐng)域競爭格局此消彼長(cháng)，半導體領(lǐng)域創(chuàng )新風(fēng)起云涌，核心芯片技術(shù)發(fā)展變革步伐進(jìn)一步加快，計算呈現出全新發(fā)展趨勢，多種計算范式和架構正逐漸融合，開(kāi)始進(jìn)入“大計算”時(shí)代。從上世紀70年代Intel推出第一款處理器到現在，芯片架構歷經(jīng)單核、同構多核等不同時(shí)期，當前正邁向異構多核時(shí)代。伴隨并行度提高，同構系統處理器核間的并行冗余越來(lái)越大，不可并行任務(wù)協(xié)調工作越來(lái)越多，導致系統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(lǐng)域新熱點(diǎn)，也是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要新拐點(diǎn)。

　　全球異構計算呈現三強鼎立

　　異構計算系統有兩種實(shí)現方式：一是將多個(gè)不同類(lèi)型處理器芯片通過(guò)片間集成的方式實(shí)現節點(diǎn)級異構計算(稱(chēng)之為片間異構);二是基于單(硅)片內集成多個(gè)不同處理器內核的異構計算芯片實(shí)現，即異構計算在芯片級實(shí)現(稱(chēng)之為片內異構)。第二種異構計算芯片技術(shù)是當前最新技術(shù)。

　　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相關(guān)技術(shù)標準和規范有機內在融合在一顆芯片上，任務(wù)由最合適的工作單元來(lái)承擔，不同異構內核之間實(shí)現協(xié)同計算。

　　隨著(zhù)同構多核達到一定程度，通過(guò)核的堆疊提升計算性能遇到嚴重挑戰，芯片級異構計算能夠消除同構計算時(shí)CPU、GPU、DSP之間數據傳輸時(shí)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、大數據等多領(lǐng)域應用，基于統一編程規范和標準，能大幅減小軟件開(kāi)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(shù)之一。

　　當前，全球異構計算領(lǐng)域呈現三強鼎立的態(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(wù)使用，在PC與高性能移動(dòng)計算領(lǐng)域優(yōu)勢明顯;HSA是完全開(kāi)放的異構計算聯(lián)盟，由于A(yíng)RM、高通、三星等巨頭參與，在高性能移動(dòng)計算領(lǐng)域擁有顯著(zhù)優(yōu)勢。OpenPOWER聯(lián)盟以IBM POWER芯片架構技術(shù)為基礎，成立時(shí)間最晚，主要面向高性能計算領(lǐng)域應用。

　　異構計算作為新興技術(shù)同樣面臨諸多問(wèn)題和挑戰，例如從傳統同構系統、片間異構到片內多核異構，如何對應不同的編程方式、軟硬件架構以及生態(tài)系統等;對于異構計算系統，無(wú)論是片間異構還是片內異構，都需要考慮如何建立完善的軟硬件體系來(lái)支撐全新異構計算體系，進(jìn)而解決生態(tài)問(wèn)題，使下游產(chǎn)業(yè)鏈用戶(hù)主動(dòng)采用異構計算技術(shù)。為應對以上困難及挑戰，在以上三強中，Intel基于其工藝、技術(shù)的先進(jìn)性，在PC領(lǐng)域已向異構計算技術(shù)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的片內異構產(chǎn)品，并擇機向智能終端等移動(dòng)計算領(lǐng)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實(shí)現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(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢和IBM產(chǎn)品的應用生態(tài)基礎，在高性能計算領(lǐng)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，主要面向高端服務(wù)器市場(chǎng)。HSA主要提供片內異構多核解決方案——從片內異構IP(Intellectual Property)核到片內異構芯片，有效地解決了應用軟件的重用和互用，以開(kāi)放方式合作共建全球異構計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)。