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異構(gòu)計(jì)算的概念、核心、優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)及考慮因素

中科院半導(dǎo)體所 ? 來(lái)源:老虎說(shuō)芯 ? 2025-01-13 11:43 ? 次閱讀

異構(gòu)計(jì)算就像是一支由“多才多藝”處理器組成的團(tuán)隊(duì),每個(gè)成員都有自己的強(qiáng)項(xiàng)和責(zé)任。

什么是異構(gòu)計(jì)算?????

“異構(gòu)計(jì)算”指的是在同一個(gè)計(jì)算平臺(tái)中,部署多種不同類型的處理單元(比如 CPU、GPUDSP、FPGA、NPU 或?qū)S?ASIC 等),針對(duì)各自擅長(zhǎng)的任務(wù)進(jìn)行協(xié)同處理,從而提升系統(tǒng)的整體性能、能效比或功能多樣性。 可以將其比作一支由多種不同樂(lè)器組成的樂(lè)隊(duì):CPU 負(fù)責(zé)基礎(chǔ)節(jié)奏和指揮,GPU 負(fù)責(zé)高并行度的片段,F(xiàn)PGA 或 ASIC 則是為特定的主旋律或音色定制的“專用樂(lè)器”,不同樂(lè)手各展所長(zhǎng),最終形成一曲和諧高效的交響樂(lè)。

異構(gòu)計(jì)算的核心思路????

按需分工 ??每種處理器都有其獨(dú)特的指令集、微架構(gòu)特征和處理能力。例如: CPU:通用性強(qiáng),適合處理邏輯判斷、控制流程以及多樣化的通用任務(wù)。 GPU:擁有大量并行處理單元,擅長(zhǎng)圖像、視頻、深度學(xué)習(xí)等大規(guī)模數(shù)據(jù)運(yùn)算。 FPGA/ASIC:可根據(jù)特定算法進(jìn)行高度定制,在功耗和實(shí)時(shí)性方面有優(yōu)勢(shì)。 在異構(gòu)系統(tǒng)中,軟件會(huì)根據(jù)工作負(fù)載類型將任務(wù)分配給最適合的硬件單元,讓整體資源得到最大程度的利用。 數(shù)據(jù)與控制的協(xié)同 異構(gòu)計(jì)算并不是讓各個(gè)處理單元“各自為政”,而是需要一個(gè)良好的編程框架和通訊機(jī)制,保證不同單元之間的數(shù)據(jù)傳遞和任務(wù)調(diào)度高效有序。例如: 共享或?qū)S酶咚倬彺?高速互聯(lián)接口(例如 PCIe、片上總線、專用互聯(lián)結(jié)構(gòu)等) 統(tǒng)一編程模型或驅(qū)動(dòng)層抽象

異構(gòu)計(jì)算的主要優(yōu)勢(shì)????

性能/能效提升 不同處理器專做各自最擅長(zhǎng)的工作,可在相同功耗下實(shí)現(xiàn)更高的整體吞吐量和更低的處理延遲。 擴(kuò)展性和靈活性 通過(guò)在系統(tǒng)中添加或替換特定的加速單元(如增加 GPU、將 FPGA 換成 ASIC 等),可以迅速應(yīng)對(duì)應(yīng)用需求的升級(jí)。 對(duì)于某些場(chǎng)景,還可以結(jié)合可重構(gòu)器件在現(xiàn)場(chǎng)更新邏輯,以應(yīng)對(duì)算法迭代。 滿足多元化需求 在圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信、安全加密、機(jī)器學(xué)習(xí)等眾多領(lǐng)域,每種應(yīng)用都有其獨(dú)特的計(jì)算特點(diǎn)。異構(gòu)計(jì)算能一次性滿足多種需求,而無(wú)需一味依賴通用 CPU。

異構(gòu)計(jì)算的挑戰(zhàn)????

系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度 將多種不同架構(gòu)的處理器集成到同一個(gè)平臺(tái),需要對(duì)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、軟件框架和通信機(jī)制做充分的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽都可能造成性能瓶頸或兼容性問(wèn)題。 編程和開(kāi)發(fā)難度 不同處理單元通常擁有不同的編程模型和指令集,需要工程師掌握多樣化的技術(shù)棧。 數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)調(diào)度和資源管理等都要進(jìn)行周密的規(guī)劃,否則可能導(dǎo)致效率低下或資源浪費(fèi)。 驗(yàn)證和測(cè)試成本 異構(gòu)系統(tǒng)中,所有單元都要進(jìn)行功能和性能驗(yàn)證,并且必須測(cè)試各種組件之間協(xié)同工作的正確性。驗(yàn)證與測(cè)試的成本和周期往往會(huì)進(jìn)一步增加。 潛在的維護(hù)和升級(jí)難度 當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或應(yīng)用場(chǎng)景變化,需要增加新的異構(gòu)處理單元或者對(duì)現(xiàn)有單元進(jìn)行升級(jí),這會(huì)帶來(lái)一定的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證開(kāi)銷。

異構(gòu)計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景????

深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù) 訓(xùn)練階段:GPU 和 NPU 等處理單元大顯身手,加快海量數(shù)據(jù)的矩陣運(yùn)算。 推理階段:ASIC 或 FPGA 的硬件加速單元可進(jìn)一步降低延遲并提升能效。 圖像視頻處理 GPU 擅長(zhǎng)并行渲染、圖像增強(qiáng)和視頻編解碼。 FPGA 或 ASIC 模塊能對(duì)關(guān)鍵算法(如視頻轉(zhuǎn)碼)進(jìn)行高度優(yōu)化。 網(wǎng)絡(luò)與安全 網(wǎng)絡(luò)處理器、加密解密引擎、數(shù)據(jù)壓縮模塊都可以與 CPU 協(xié)同,提高帶寬和安全防護(hù)能力。 自動(dòng)駕駛嵌入式系統(tǒng)智能駕駛、機(jī)器人等對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)合,通過(guò) CPU、GPU、NPU、FPGA 等協(xié)同處理各種傳感器數(shù)據(jù),加速?zèng)Q策與控制。

設(shè)計(jì)異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的關(guān)鍵考慮????

系統(tǒng)架構(gòu)與接口 需要對(duì)數(shù)據(jù)流和控制流做出合理的規(guī)劃,確保不同處理單元之間的低延遲通信和高帶寬數(shù)據(jù)交換。 硬件/軟件協(xié)同優(yōu)化 盡早在算法設(shè)計(jì)階段確定各處理單元的任務(wù)分配。 選擇合適的編程接口或開(kāi)發(fā)框架(例如 CUDA、OpenCL、異構(gòu)調(diào)度庫(kù)等)。 功耗與散熱 異構(gòu)系統(tǒng)中的多個(gè)處理單元同時(shí)工作,可能面臨更大的功耗和發(fā)熱壓力,需要在封裝散熱、供電時(shí)鐘管理方面進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。 可擴(kuò)展性和演進(jìn)規(guī)劃 提前預(yù)留可擴(kuò)展的存儲(chǔ)、接口和電源余量,以滿足后續(xù)硬件升級(jí)需求。 對(duì)頻繁變動(dòng)的算法,考慮使用 FPGA 或可重構(gòu)加速器來(lái)減小迭代成本。

總結(jié)????

異構(gòu)計(jì)算就像是一支由“多才多藝”處理器組成的團(tuán)隊(duì),每個(gè)成員都有自己的強(qiáng)項(xiàng)和責(zé)任。通過(guò)合理的分工與協(xié)作,可以在性能、功耗、靈活性和功能多樣性方面實(shí)現(xiàn)大幅提升。當(dāng)然,這也對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程模型以及驗(yàn)證測(cè)試帶來(lái)更高的挑戰(zhàn)。工程師在規(guī)劃異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)時(shí),需要綜合權(quán)衡應(yīng)用需求、研發(fā)周期、成本和后續(xù)維護(hù),才能真正發(fā)揮異構(gòu)計(jì)算的潛能,為各類高性能、高并行度應(yīng)用場(chǎng)景提供更好的解決方案。

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原文標(biāo)題:異構(gòu)計(jì)算的概念、核心、優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)及考慮因素

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