連結多種運算核心 HSA架構提高處理器能源效率

異質(zhì)運算架構(HSA)將有助實(shí)現高效能、低功耗處理器設計。隨著(zhù)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(shù)促進(jìn)系統單晶片(SoC)內部的異質(zhì)核心協(xié)同運作，并透過(guò)軟體將復雜任務(wù)分配至最合適的運算單元，進(jìn)而兼顧高運算效率和低能源消耗。

異質(zhì)運算的時(shí)代終于來(lái)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(wèn)題。處理器設計師不必只是仰賴(lài)昂貴的低功率電晶體，而是可以透過(guò)系統架構改善，將軟體工作負載分配至不同異質(zhì)運算單元，藉此協(xié)助降低能源消耗。

業(yè)界大廠(chǎng)合力推動(dòng)　HSA技術(shù)受矚目

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

不同于仰賴(lài)相同通用中央處理器(CPU)核心的同質(zhì)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(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)及固定功能硬體等，各類(lèi)核心針對不同類(lèi)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(lián)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(huì )”，旨在確保應用程式能夠將任務(wù)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行。HSA基金會(huì )建立一套連接異質(zhì)運算核心的開(kāi)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(shí)現具有高效能及高電源效率的異質(zhì)應用。

同時(shí)支援x86/ARM架構　HSA實(shí)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，設計出廣泛部署支援HSA之應用程式所需的軟體開(kāi)發(fā)工具。

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

由于目前系統效能擴展受限于電力消耗，超微半導體已著(zhù)手研發(fā)支援高度平行任務(wù)，可于CPU與GPU間無(wú)縫平移的異質(zhì)運算形式。這項技術(shù)創(chuàng )新構成HSA的基礎，帶來(lái)加強能源效率，同時(shí)提升效能并維持可編程性的契機。而要整合CPU與GPU于同一晶片，關(guān)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(lái)說(shuō)，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(wù)。就行動(dòng)運算而言，美國能源之星計畫(huà)(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(kāi)網(wǎng)頁(yè)之后，使用者會(huì )花時(shí)間檢視結果。這樣的閑置期間在現代系統中可能短如按鍵輸入之間或影片訊框之間的間隔，這段時(shí)間處理器會(huì )進(jìn)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(dòng)裝置晶片的通常使用效率。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航力較長(cháng)的機種。同樣地，若將兩臺電池續航力相同的筆記型電腦相較，使用者必然也會(huì )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(guò)標準使用能源效率指標具體呈現。

超微半導體計畫(huà)于未來(lái)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(chǎng)分析公司Tirias Research技術(shù)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整成一份技術(shù)白皮書(shū)，公布于Tirias Research網(wǎng)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(zhù)重架構、設計及軟體等方面之外，還將輔以矽晶圓制程技術(shù)。具體而言，超微半導體將聚焦于以下三大面向：

.智慧即時(shí)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(jìn)入閑置模式(Race To Idle)”優(yōu)點(diǎn)。

.強化異質(zhì)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(chǎn)業(yè)標準為基準測試所示)，以及新興的視覺(jué)導向互動(dòng)工作負載(如自然使用者介面連同影像及語(yǔ)音辨識)。

.高電源效率實(shí)施的創(chuàng )新

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

Tirias Research指出，將降低閑置耗電及智慧化電源管理所達成的節電功效，同時(shí)與異質(zhì)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(shí)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組件全部都整合于單一晶粒中，可實(shí)現同時(shí)監控 CPU與GPU的精密化電源管理。這項技術(shù)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(shí)還可以達到省電之效果。

超微半導體的智慧電源管理以專(zhuān)用晶?？刂破髯粉櫣?、溫度及各主要組件活動(dòng)情形，使APU進(jìn)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(shí)間將處理重點(diǎn)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(shí)最無(wú)活動(dòng)現象，并將其運作降低至最小狀態(tài)或將之完全關(guān)閉。

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