異構(gòu)計(jì)算中的挑戰(zhàn)與解決方案

程序員在使用現(xiàn)有編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序方面歷來(lái)面臨重大挑戰(zhàn)。其中最重要的是異構(gòu)處理器中固有的多本機(jī)指令集架構(gòu) （ISA）。如今，由于引入了異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu) （HSA），這些擔(dān)憂正在得到解決。

復(fù)雜的片上系統(tǒng) （SoC） 是當(dāng)今大多數(shù)電子產(chǎn)品的核心。通常由廣泛的 IP 塊組成，通常來(lái)自不同的供應(yīng)商，這些塊包括從通用處理器 （CPU） 到深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （DNN） 的所有內(nèi)容。每一個(gè)通常都是用不同的專有語(yǔ)言設(shè)計(jì)和編程的，為開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建了一個(gè)技術(shù)“巴別塔”。可以理解的是，必須找到一種解決方案，該解決方案能夠有效且具有成本效益地解決當(dāng)今日益增長(zhǎng)的硬件多樣性。

向異構(gòu)架構(gòu)邁進(jìn)

異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)已成功解決了多個(gè)不同處理器的編程問(wèn)題并利用了異構(gòu)的力量。開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越意識(shí)到異構(gòu)芯片及其在顯著降低執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算應(yīng)用程序所需功率方面的潛力。當(dāng)程序針對(duì)專門(mén)的異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，每個(gè)系統(tǒng)處理器都可以使用該特定功能所需的最少功率來(lái)執(zhí)行代碼。結(jié)果是比非異構(gòu)系統(tǒng)在更低功率下的性能更高。

但是 HSA 還有另一個(gè)好處，它最終允許開(kāi)發(fā)人員更快地設(shè)計(jì)和編程日益復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)。它有助于確保在正確的時(shí)間為正確的任務(wù)使用正確的處理器。結(jié)合高速緩存一致的共享虛擬內(nèi)存，HSA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)存的高帶寬訪問(wèn)，提高了應(yīng)用程序性能并降低了功耗。

兩全其美

異構(gòu)計(jì)算結(jié)合了通用計(jì)算和專用計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。它指定了 CPU 如何與加速器“對(duì)話”，并且經(jīng)常發(fā)現(xiàn)兩者都集成在同一個(gè)硅芯片上。因此，異構(gòu)處理器（例如 CPU、GPU、DSP、FPGA、專用加速器等）最終可以集成并協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)給定應(yīng)用的性能和功耗的理想平衡。可以理解的是，當(dāng)今大多數(shù)設(shè)計(jì)師都傾向于在他們構(gòu)建的系統(tǒng)中進(jìn)行更大程度的集成。雖然這給設(shè)計(jì)過(guò)程增加了一定程度的難度，但這種方法的好處——速度、更少的設(shè)備和更低的總體成本——超過(guò)了固有的挑戰(zhàn)。

創(chuàng)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

自 HSAF 于 2012 年成立以來(lái)，HSA 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)取得了重大進(jìn)展。如今，不僅有免版稅的開(kāi)放規(guī)范可用，而且還有完全可操作的生產(chǎn)系統(tǒng)。HSA 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的吸引力越來(lái)越大。它簡(jiǎn)化了異構(gòu)編程，創(chuàng)建了允許使用許多常見(jiàn)編程語(yǔ)言（包括 C/C++、Python、OpenCL、Java 等）對(duì)不同類型的處理器進(jìn)行編程的標(biāo)準(zhǔn)。HSA 巧妙地使用單個(gè)源文件并自動(dòng)將應(yīng)用程序的一部分分發(fā)到進(jìn)行實(shí)際計(jì)算的最佳處理器。

調(diào)查強(qiáng)調(diào)了 HSA 的廣泛吸引力

在最近對(duì) HSA 基金會(huì)成員進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中，100% 的人表示他們的系統(tǒng)具有 HSA 功能，80% 的人現(xiàn)在符合 HSA 標(biāo)準(zhǔn)。受訪者還提到改進(jìn)的 SoC 設(shè)計(jì)和編程流程、來(lái)自不同 IP 供應(yīng)商的模塊之間更大的互操作性、更高的性能和更低的功耗。大多數(shù)公司表示他們將繼續(xù)使用多種編程語(yǔ)言，包括 ISO C++、ISO C11/C99、OpenMP 3.1/4.0 with C 和其他幾種語(yǔ)言。受訪者還表示需要為包括全局調(diào)試在內(nèi)的技術(shù)開(kāi)發(fā)解決方案，進(jìn)一步定義內(nèi)存模型、安全性、虛擬化和 HSAIL 擴(kuò)展。

給用戶帶來(lái)好處

異構(gòu)系統(tǒng)是各種技術(shù)顛覆的核心。平板電腦、智能手機(jī)和科學(xué)計(jì)算機(jī)都是作為專門(mén)系統(tǒng)創(chuàng)建的。展望未來(lái)，異構(gòu)架構(gòu)在創(chuàng)建下一代顛覆性設(shè)備方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這包括 46% 的臺(tái)式機(jī)和移動(dòng)設(shè)備；69% 的服務(wù)器、物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備以及 92% 的人工智能和計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷