HPC系統(tǒng)的電源控制器，RISC-V也來插一腳？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）對(duì)于近幾年推出的HPC系統(tǒng)來說，高能效已經(jīng)成了大家無法規(guī)避的話題，就連TOP500上的超算，比如排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)，美國能源部下屬國家實(shí)驗(yàn)室的Frontier系統(tǒng)，也憑借單機(jī)柜原型機(jī)在GREEN500能效榜上拿下第一，整個(gè)系統(tǒng)拿下了第二的成績。與十多年前的那些HPC系統(tǒng)相比，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)不僅是在性能上不可同日而語，連能效比也提升了百倍以上。

能做到如此高的能效，除了CPU、GPU本身的設(shè)計(jì)外，也要?dú)w功于先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)和電源管理。對(duì)于已經(jīng)走向多核異構(gòu)時(shí)代的HPC系統(tǒng)而言，系統(tǒng)級(jí)別的電源與熱管理尤為重要，而且還得做到精心調(diào)校、針對(duì)負(fù)載進(jìn)行智能調(diào)整的動(dòng)態(tài)電源管理。

已有的電源控制器方案

針對(duì)不同的CPU系統(tǒng)，市面上已經(jīng)有了不少商用電源控制器，比如英特爾的CPU有用于C-States管理的電源控制單元（PCU），ARM有幫助應(yīng)用處理器卸載電源與系統(tǒng)管理任務(wù)的系統(tǒng)控制處理器（SCP）和可管理控制處理器（MCP），AMD有采集傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行快速調(diào)整的系統(tǒng)管理單元（SMU），IBM的Power處理器有片上控制器（OCC）等。

然而，不少已有的方案都是基于單核心的MCU打造的，在面對(duì)單片核心數(shù)越來越多以及逐漸普及的Chiplet設(shè)計(jì)時(shí)，這些方案就因?yàn)槿狈U(kuò)展性而顯得力不從心了。除此之外，主辦的尺寸、布局和成本的因素，進(jìn)一步限制了HPC處理器本身的片上電源管理。正因如此，在擁有龐大核心數(shù)量的HPC系統(tǒng)上，我們需要一個(gè)可擴(kuò)展的控制器方案。

在這些要求下，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室就基于開源的RISC-V架構(gòu)，打造了這樣一個(gè)擁有并行控制規(guī)則計(jì)算加速的電源控制器IP——ControlPULP。

可擴(kuò)展的電源控制器

ControlPULP采用了九核的設(shè)計(jì)，一個(gè)單核管理器核心，和8核的加速器簇來加速電源控制固件的工作負(fù)載，而這九個(gè)核心全部基于CV32E40P，這是一個(gè)32位4級(jí)流水線的RISC-V開源核心，由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和意大利博羅尼亞大學(xué)合作的PULP平臺(tái)維護(hù)，他們也將CV32E40P捐獻(xiàn)給了開放硬件聯(lián)盟OpenHW。

此外，ControlPULP集成了一個(gè)直接內(nèi)存訪問引擎，用于獲取片上傳感器的數(shù)據(jù)，還有一個(gè)uDMA引擎，用于支持基于標(biāo)準(zhǔn)電源管理接口（比如電壓調(diào)節(jié)總線AVSBUS/PMBUS）的片外外圍設(shè)備以及通過I2C或MTCP協(xié)議的BMC通信。至于底層控制策略的調(diào)度，則靠PULP平臺(tái)自己開發(fā)的開源FreeRTOS來實(shí)現(xiàn)。

在其電源控制策略中，ControlPULP主要負(fù)責(zé)兩大主要控制任務(wù)，一個(gè)是定期控制任務(wù)，一個(gè)是電源控制任務(wù)。定期控制任務(wù)結(jié)合溫度傳感器、功耗傳感器內(nèi)的數(shù)據(jù)，以及目標(biāo)頻率、預(yù)期負(fù)載和總功耗預(yù)算等數(shù)據(jù)，來進(jìn)行電源調(diào)度和熱管理。電源控制任務(wù)則是通過PMBUS/AVSBUS獲得的電壓軌功耗和BMC通信來完成快速電源控制。

根據(jù)他們測(cè)試的結(jié)果，這種多核加速器簇的結(jié)構(gòu)相較過去的單核方案來說，在控制策略的執(zhí)行速度上快了5倍，而且集成在HPC處理器中并不會(huì)占用多大的面積。他們?cè)诟裥镜腉F22FDX工藝下得到的綜合結(jié)果中，ControlPULP所占處理器面積甚至不到百分之一。

開源電源控制器的未來

ControlPULP作為一個(gè)軟硬件完全開源的集成IP方案，不少人擔(dān)心是否真的會(huì)有人將其投入商用，事實(shí)上，這樣的案例已經(jīng)快要面世了。根據(jù)ETH透露，歐洲處理器計(jì)劃（EPI）的先行者，法國企業(yè)SiPearl的E級(jí)HPC芯片，72核的Rhea處理器就將集成ControlPULP。

不過，這還只是ControlPULP邁出的第一步，未來PULP團(tuán)隊(duì)還計(jì)算完成65nm的流片來進(jìn)一步開展硬件驗(yàn)證，并探索更先進(jìn)的預(yù)測(cè)性電源控制策略。但不管怎么說，這都是首個(gè)RISC-V的HPC電源控制器方案，RISC-V在HPC市場(chǎng)也需要更多的亮相，而不僅僅只是作為加速器。