Kalray MPPA解決方案實(shí)現無(wú)處不在的低功耗、實(shí)時(shí)單芯片超算

　　超級計算，對很多人來(lái)說(shuō)并不陌生但仿佛又離得很遠，或許大家對它的了解也僅僅限于“天河”超級計算機。其實(shí)，隨著(zhù)越來(lái)越多的應用對實(shí)時(shí)數值計算和數據處理提出極高的要求，超級計算正在越來(lái)越多地出現在與人類(lèi)生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。尤其是近些年來(lái)，隨著(zhù)云計算、大數據等IT新概念和新技術(shù)的出現，以及先進(jìn)無(wú)損音視頻處理和自動(dòng)駕駛設備等嵌入式高性能計算的興起，使很多原有應用迎來(lái)了突破性進(jìn)展，并促使很多新的IT應用模式出現。而在這些應用背后，許多廠(chǎng)商正在全力實(shí)現的“嵌入式”實(shí)時(shí)超級計算解決方案，可以提供芯片級的高性能數據運算和處理能力。為此，北京華興萬(wàn)邦管理咨詢(xún)有限公司走訪(fǎng)了業(yè)內率先實(shí)現單芯片超算(Supercomputing on a Chip)商用的法國Kalray公司，為大家一探“片上超算”給行業(yè)帶來(lái)的新機會(huì )。

　　面向超級計算的多核處理器

　　為了完成普通PC或服務(wù)器無(wú)法完成的大量、復雜的計算任務(wù)，超級計算機要求擁有為數眾多的處理器。然而，隨著(zhù)對運算速度越來(lái)越高的追求，單核處理器已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足超級計算的要求，因為無(wú)休止地增加單核處理器的數量不但會(huì )造成成本和功耗的大量增加，而且性能也無(wú)法呈現幾何級數的增長(cháng)。于是，多核技術(shù)開(kāi)始被大量應用于超級計算當中。以中國的“天河二號”超級計算機為例，其使用的主處理器和協(xié)處理器目前均為Intel公司的多核處理器。

　　目前，市場(chǎng)上研發(fā)并供應多核處理器芯片的廠(chǎng)商為數眾多，以Intel和AMD兩大處理器廠(chǎng)商為首，不同的多核處理器所面向的應用領(lǐng)域也不盡相同。除了面向PC應用的2核、4核處理器和面向手機和平板電腦的4核、8核處理器外，一些供應商推出的8核、16核處理器也已實(shí)現全面的商用，例如XMOS公司的xCORE系列多核處理器已被高解析度音頻、千兆網(wǎng)速物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中的產(chǎn)品、解決方案所采用，該公司全新的xCORE-200多核微控制器通過(guò)在單一器件上集成16個(gè)或更多高性能32位RISC處理器內核，成為了高性能用戶(hù)、專(zhuān)業(yè)音頻與新興千兆網(wǎng)速物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用的完美可編程平臺。

　　在眾多的多核處理器供應商中，有一家面向超級計算相關(guān)應用的廠(chǎng)商正在越來(lái)越多地引起業(yè)界的關(guān)注，這就是全球首家可以提供256核以上處理器芯片的廠(chǎng)商——法國公司Kalray。Kalray公司是在單芯片上實(shí)現超級計算(Supercomputing on a Chip™)的發(fā)明者，其大規模并行處理器陣列芯片MPPA®(Massively Parallel Processor Array)處理器采用臺積電(TSMC)的28nm工藝制程，擁有超過(guò)256個(gè)可以進(jìn)行C/C++編程的內核。該公司的單芯片超算解決方案可以為兩大類(lèi)應用提供高性能、低功耗和實(shí)時(shí)等特性，一類(lèi)是在數據中心、視頻處理等應用中卸載主處理器的任務(wù)，另一類(lèi)是需要較大量數據處理、高實(shí)時(shí)性和低功耗的嵌入式應用。下面為您具體介紹該公司的解決方案及其商業(yè)應用。

　　Kalray公司的256核MPPA處理器芯片

　　低功耗256核處理器芯片和標準C/C++編程環(huán)境

　　Kalray公司是一家成立于2008年的無(wú)晶圓廠(chǎng)半導體公司，它是開(kāi)發(fā)多核處理器解決方案的先鋒廠(chǎng)商。該公司創(chuàng )新的MPPA架構獨一無(wú)二地提供單芯片超算解決方案，其可以為視頻、網(wǎng)絡(luò )、電信、大數據等領(lǐng)域的云計算應用實(shí)現實(shí)時(shí)加速，還可以為航空航天、國防、汽車(chē)等領(lǐng)域的嵌入式應用提供嵌入式高性能運算能力。Kalray公司的總部位于法國，包括位于巴黎和歐洲硅谷格勒諾布爾市(Grenoble)兩個(gè)地點(diǎn)的辦公室，此外，其在美國加州和日本東京還設有分公司。

　　Kalray公司的完整解決方案包括MPPA系列多核處理器、PCIe Gen3加速卡、提供網(wǎng)絡(luò )加速支持的開(kāi)源網(wǎng)絡(luò )接口卡(Open NIC)，以及軟件開(kāi)發(fā)工具包。該解決方案可以提供行業(yè)領(lǐng)先的低計算功耗，具有時(shí)間可預測性和低延遲性，以及獨一無(wú)二的處理擴展性和系統密度，可以在同一塊片芯上實(shí)現多種異構的應用，同時(shí)擁有很好的可編程性(包括標準C/C++和OpenCL)。

　　MPPA多核處理器包括Andey MPPA和Bostan MPPA兩款產(chǎn)品。其中Andey為第一代MPPA處理器，已于2013年第1季度開(kāi)始供貨。它擁有超過(guò)256個(gè)可以進(jìn)行32位超長(cháng)指令字C/C++編程的內核，單精度浮點(diǎn)運算速度可以達到210 GFLOPS(每秒十億次浮點(diǎn)運算)，雙精度浮點(diǎn)運算速度可達70 GFLOPS，運算速度可達0.7 TOPS(每秒萬(wàn)億次運算)。該處理器擁有兩塊帶寬為12.8GB/s的64位DDR3內存，以及兩個(gè)由DMA支持的PCIe Gen3×8接口。Bostan為該公司即將推出的第二代MPPA處理器，目前已完成流片及樣片的封裝，將于2015年第4季度向先期客戶(hù)供貨。它的單精度浮點(diǎn)運算速度可以達到840 GFLOPS，雙精度浮點(diǎn)運算速度可達420 GFLOPS，運算速度可達1.4 TOPS，其他性能相比Andey MPPA有較大幅度的提升。

　　MPPA多核處理器采用Kalray獨一無(wú)二的架構設計。每個(gè)處理器芯片擁有4個(gè)四核主CPU和 16個(gè)計算集群，每個(gè)計算集群中又包括16個(gè)用戶(hù)核和1個(gè)系統核，每個(gè)用戶(hù)核則采用Kalray擁有專(zhuān)利的超長(cháng)指令字架構進(jìn)行設計。同時(shí)，其片上的DDR存儲器和以太網(wǎng)及PCIe接口模塊支持了數據的低延遲處理，并使芯片的整體功耗遠遠低于通用的多芯片組功耗，Andey MPPA處理器的典型功耗為12W，Bostan MPPA處理器的功耗為11W-30W。

　　Kalray公司獨一無(wú)二的處理器架構

　　為了驗證其MPPA處理器的高性能、低功耗特性，并推動(dòng)其芯片產(chǎn)品的商用化，Kalray推出了采用MPPA處理器的系列網(wǎng)絡(luò )卡。Kalray的PCIe Gen3加速卡包括TurboCard2和TurboCard3兩款產(chǎn)品。TurboCard2加載了4塊Andey MPPA芯片，浮點(diǎn)運算速度可以達到0.9 TFLOPS(每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)運算)，存儲容量高達32GB，擁有8塊DDR3內存(總帶寬達80GB/s)，并配有C/C++ GNU編譯器環(huán)境。TurboCard3是TurboCard2的下一代產(chǎn)品，將于2015年底供貨，其加載了4塊Bostan MPPA芯片，浮點(diǎn)運算速度可以達到3.4 TFLOPS。Kalray的開(kāi)源網(wǎng)絡(luò )接口卡ONIC80也將于2015年底開(kāi)始供貨，它是完全可編程的網(wǎng)卡，運行Bostan MPPA芯片，擁有PCIe Gen3×16接口和8GB存儲容量，其大小與普通圖形加速單元類(lèi)似，功耗為40W，可以使數據中心變得更加緊湊和冷靜。

　　Kalray公司的PCIe Gen3加速卡TurboCard2

　　開(kāi)發(fā)工具體系是處理器生態(tài)體系中另一項非常重要的指標。為了便于工程師針對不同的應用開(kāi)發(fā)自己的超算解決方案，Kalray提供了方便易用、內容豐富的軟件開(kāi)發(fā)工具包，包括標準C/C++編程環(huán)境，模擬器、編譯器、調試器和系統跟蹤，第三方實(shí)時(shí)操作系統(如Linux、風(fēng)河)和設備驅動(dòng)程序，面向CPU的基礎C編程和Lib編程，面向DSP的POSIX多線(xiàn)程編程，以及面向GPU的OpenCL編程?？梢哉f(shuō)，該軟件開(kāi)發(fā)工具包提供了眾多高性能應用所需求的軟件，工程師不需要針對該系列處理器進(jìn)行大量重新學(xué)習就可以上手，并力求最大限度地發(fā)揮MPPA多核處理器的全部性能。

　　Kalray公司的軟件開(kāi)發(fā)工具包

　　目標市場(chǎng)：數據中心和關(guān)鍵任務(wù)型嵌入式應用

　　通過(guò)上述對Kalray公司各種硬件產(chǎn)品性能的描述可以看出，它們能夠在很多對數據運算和處理有高要求的應用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，加上軟件開(kāi)發(fā)工具包提供的強力支持，其整體解決方案擁有非常廣闊的應用空間。該公司的銷(xiāo)售和營(yíng)銷(xiāo)副總裁Jean-Pierre Demange向分析師介紹：“在數據中心的工作過(guò)程中，隨著(zhù)大量應用轉向云端，數據通信量的激增，以及新數據中心體系的進(jìn)一步虛擬化需求，開(kāi)始出現一種逐漸增長(cháng)的需求，即從主流處理器(x86)向高性能、低功耗、低延遲、完全可編程的協(xié)處理器進(jìn)行集中、實(shí)時(shí)卸載處理的需求。Kalray的處理器和PCI卡可以提供獨一無(wú)二的解決方案來(lái)幫助數據中心實(shí)現這一功能，主要應用范圍包括智能網(wǎng)卡、智能存儲、運算加速、視頻編碼等。”

　　“除數據中心外，我們的解決方案還有一個(gè)重要的目標應用市場(chǎng)，那就是關(guān)鍵任務(wù)型嵌入式應用。”Kalray公司的銷(xiāo)售和營(yíng)銷(xiāo)副總裁Jean-Pierre Demange繼續說(shuō)道。“關(guān)鍵任務(wù)型嵌入式應用市場(chǎng)要求在固定的占板面積上提供越來(lái)越高的計算能力，以及在同一塊片芯上擁有越來(lái)越高的功能集成度，同時(shí)還要保留實(shí)時(shí)性支持和安全規范，而目前其他現有的多核架構尚無(wú)法滿(mǎn)足這些規范和要求的認證。Kalray是全球首家可以為關(guān)鍵任務(wù)型嵌入式應用提供全認證多核解決方案的公司，我們可以為航空航天、國防、自動(dòng)汽車(chē)、機器人和多軸飛行器等應用領(lǐng)域提供支持。”

　　Kalray公司的銷(xiāo)售與營(yíng)銷(xiāo)副總裁Jean-Pierre Demange、首席執行官Eric Baissus和商務(wù)總監Stephane Cordova(從左至右)向華興萬(wàn)邦分析師展示其產(chǎn)品

　　目前，Kalray公司已對其后續產(chǎn)品進(jìn)行了合理的規劃，該公司的首席執行官Eric Baissus介紹道：“我們正在對第三代MPPA多核處理器Coolidge制定技術(shù)規范，這款芯片的單精度浮點(diǎn)運算速度預計將高于1200 GFLOPS，雙精度浮點(diǎn)運算速度預計將高于600 GFLOPS，計劃2017年初生產(chǎn)樣片，2017年年內實(shí)現量產(chǎn)。”此外，關(guān)于未來(lái)對中國市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，Eric Baissus先生也表達了自己的觀(guān)點(diǎn)：“目前，我們與中國企業(yè)的合作還較少，我們希望下一步能夠加強與中國市場(chǎng)的聯(lián)系，并愿意為中國的超算中心和高性能嵌入式應用提供支持。”