英特爾超異構(gòu)計算愿景，實現(xiàn)新“超越”

正如約翰·齊曼(J.Ziman)所言：“不同規(guī)模、不同層次的各種技術(shù)形成相互共生、寄生與競爭的生態(tài)關(guān)系，使得任何技術(shù)的生存與發(fā)展不是孤立的事件”。芯片架構(gòu)的革命也隨著IC業(yè)浪潮的演進“合成”向前，從32位到64位，從單核到多核，從同構(gòu)到異構(gòu)，每一次架構(gòu)革命都讓芯片產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。而在智能互聯(lián)的AIoT時代，異構(gòu)計算芯片成為當仁不讓的主角。

畢竟，在經(jīng)歷了“數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)化、移動互聯(lián)網(wǎng)化”的洗禮之后，“人工智能化”時代的海量計算需求、算法迭代讓傳統(tǒng)的通用CPU“難堪重任”，應(yīng)運而生的異構(gòu)計算芯片“晉級”成為支撐先進和更復(fù)雜AIoT應(yīng)用的必然選擇。作為一種將不同指令集和架構(gòu)的計算單元（如傳統(tǒng)的CPU、GPU、DSP還有創(chuàng)新的TPU、DLA等）融合在一起、實現(xiàn)高效協(xié)同運行的計算技術(shù)，業(yè)界有人認為，將傳統(tǒng)架構(gòu)的芯片比作汽油引擎的話，那么異構(gòu)計算芯片就是混合動力甚至新能源引擎。

整裝待發(fā)

不論是什么樣的技術(shù)路線圖，都必須在關(guān)鍵時間節(jié)點上更新。而這一“引擎”的“橫空出世”其實是市場與技術(shù)相互碰撞的結(jié)果。

異構(gòu)計算的顯著優(yōu)勢在于實現(xiàn)了性能、成本和功耗均衡的技術(shù)，同時也是讓最適合的專用硬件去做最適合的事如密集計算或外設(shè)管理等，從而達到性能和成本的最優(yōu)化。這樣“各成其就”的異構(gòu)芯片，理所當然自帶光芒。

英特爾中國研究院院長宋繼強在上周的英特爾媒體分享會上表示，異構(gòu)計算不是一個新詞，其實上世紀80年代就有了，即超過一種以上的硬件架構(gòu)設(shè)計組合。而這種組合有兩種形式，比如將CPU、GPU、FPGA等組成一個一體化設(shè)計的SoC，將達到最高的能效比，但需要量大面廣，才值得投入；另一種是這些獨立的芯片通過板級連接實現(xiàn)異構(gòu)計算，其優(yōu)勢在于靈活，但板與板之間連接的功耗、帶寬都大打折扣。

與之相呼應(yīng)的是，近幾年來不僅眾多IP廠商在加強異構(gòu)芯片IP研發(fā)，主流芯片廠商也均加大新一代異構(gòu)芯片的出新頻率，異構(gòu)芯片開始大行其道，或?qū)⒂瓉硇碌谋l(fā)期。有預(yù)計說，在高性能計算、人工智能等應(yīng)用領(lǐng)域，異構(gòu)計算芯片市場規(guī)模將突破千億美元。

這一風(fēng)向標對產(chǎn)業(yè)帶來的影響或是全方位的，一方面眾多芯片廠商加強橫向擴展，運用資本力量大肆整合全面出擊，構(gòu)筑異構(gòu)芯片領(lǐng)域的護城河；另一方面，異構(gòu)陣營涇渭分明，各大廠商合縱連橫，同時一些新生力量亦角逐其中，有望改寫產(chǎn)業(yè)未來格局。

軟硬件挑戰(zhàn)

異構(gòu)計算雖不是全新的概念，但最早的異構(gòu)融合還基于CPU和GPU，而真正崛起要從2001年用GPU實現(xiàn)通用矩陣計算開始。而且，其“外延”已延伸至CPU、DSP、GPU、ASIC、FPGA等各種計算單元、使用不同類型指令集、不同體系架構(gòu)的“整合”，讓各種核心有效地協(xié)同合作。

顯然，這激起了“連鎖”反應(yīng)，由于設(shè)計難度大、生態(tài)系統(tǒng)需重構(gòu)等挑戰(zhàn)，在過去很長一段時間仍處在不斷演進當中。畢竟從編程方式、軟硬件架構(gòu)到生態(tài)系統(tǒng)，異構(gòu)計算仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。

其硬件實現(xiàn)就不簡單。首先，不同芯片之間的互聯(lián)布線，要求性能高、速度快，同時功耗要低。其次，要通過混搭方式，將不同種類的、不同技術(shù)的芯片封裝在一起，支持互聯(lián)，保持高帶寬和高頻率，分外復(fù)雜。最后，選擇大批量生產(chǎn)的工藝，快速驗證等等，決定了在硬件上從選擇用什么樣的基底，到用什么材料實現(xiàn)互聯(lián)，都需通盤和全面考量。

為了讓異構(gòu)計算發(fā)揮最大性能優(yōu)勢，還需要對硬件設(shè)計特定的算法以及軟件優(yōu)化，才能夠最大化硬件能力，即軟硬結(jié)合。做到真正的軟硬結(jié)合，軟件環(huán)境的優(yōu)化亦是重中之重，如何打造完善的軟硬件體系，讓“眾選手”各展所長、協(xié)同合作，并進而提供良好的生態(tài)體系，來支撐異構(gòu)計算體系的全面應(yīng)用亦是一大挑戰(zhàn)。

可以說，無論是總線及接口、編程工具、存儲管理、應(yīng)用軟件技術(shù)等，在諸如異構(gòu)多核架構(gòu)指令集、微架構(gòu)、工具鏈設(shè)計等環(huán)節(jié)仍需投入大量資金和時間。

三大陣營的心機

顯然作為新AI時代的“利器”，異構(gòu)計算將重塑產(chǎn)業(yè)格局，各方勢力各藏心機，激烈角逐。

目前，全球異構(gòu)計算領(lǐng)域呈現(xiàn)三足鼎立的態(tài)勢，分別是以AMD、高通、ARM、三星、北京華夏芯等為主體的全球異構(gòu)計算系統(tǒng)HSA聯(lián)盟，以IBM、Google、英偉達為主體的OpenPOWER聯(lián)盟和英特爾最新提出的超異構(gòu)計算愿景。

這三大體系均在全力推進：HSA聯(lián)盟強調(diào)生態(tài)共建，資源共享，主推OpenCL的異構(gòu)編程框架。自從2012年成立以來，圍繞異構(gòu)計算發(fā)展中最迫切需要解決的編程語言、技術(shù)標準、知識產(chǎn)權(quán)等問題已經(jīng)做了大量卓有成效的工作，包括發(fā)布了新一代異構(gòu)計算技術(shù)規(guī)范、搭建開放的異構(gòu)計算平臺、推出了一系列專用工具和較為完善的面向人工智能的開發(fā)環(huán)境等等。

而AMD 3A平臺、ARM Coretex處理器和Mali圖形核心、Imagination PowerVR圖形核心、德州儀器OMAP處理器平臺等都將成為HSA基金會的基石。

而OpenPower聯(lián)盟利用Power8等芯片在高性能計算領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢和IBM產(chǎn)品的應(yīng)用生態(tài)基礎(chǔ)，在高性能計算領(lǐng)域占有優(yōu)勢。自2013年IBM在聯(lián)合Google、NVIDIA、TYAN、Mellanox成立以來，目前已有數(shù)百位成員，中國成員除了浪潮、新云東方等硬件供應(yīng)商外，也有騰訊、阿里、網(wǎng)易這樣的互聯(lián)網(wǎng)巨頭。據(jù)悉在OpenPower 研發(fā)平臺上，已有10萬+應(yīng)用，以及10萬+經(jīng)過行業(yè)認證的產(chǎn)品，包括軟件、服務(wù)管理和解決方案。特別是其基于CAPI總線的全新加速器解決方案，使Power服務(wù)器完全支持CAPI+FPGA，開啟了第二代異構(gòu)計算。

雖然英特爾在以一已之力對抗，但在英特爾轉(zhuǎn)型制定了“以數(shù)據(jù)為中心”的發(fā)展戰(zhàn)略之后，一切創(chuàng)新與變革都以此為軸心。而在AI時代風(fēng)起云涌之際，“全武行”的英特爾也祭出了“超異構(gòu)計算”的旗幟，在異構(gòu)計算技術(shù)路徑發(fā)展方面已然自成一派。

超異構(gòu)計算的“超”

超異構(gòu)計算的橫空出世，緣于英特爾對數(shù)據(jù)洪流引發(fā)的變革，有了更加“系統(tǒng)”的思考，認為在智能聯(lián)所帶來的數(shù)據(jù)洪流推動下，為應(yīng)對未來數(shù)據(jù)的多樣化、數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長以及處理方式的多樣性，單純發(fā)展先進工藝或封裝或架構(gòu)改善已不足以滿足未來多元化的計算需求。

以AI為例，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用對AI計算需求躍升至“無所不能”，涉及多種計算加速、可擴展性、訓(xùn)練速度快、能效比高、開發(fā)難度小、可加快上市等，在這一發(fā)展態(tài)勢下，傳統(tǒng)的異構(gòu)計算將失去“用武之地”。宋繼強解釋說，一體化的SoC雖然體積小、能效比高，但擴展性差，增加功能則需重新設(shè)計，再走一整套流片流程，上市時間較慢；而分體式板卡雖然比較靈活，時間也快，但整體價格偏高，能效比也不高。

正所謂不破不立，超異構(gòu)計算成為解決“左右為難”的利器。宋繼強解讀超異構(gòu)計算的三大要素時認為，一是有多種架構(gòu)、多功能芯片，無論是CPU/GPU，還是FPGA、ASIC、Modem內(nèi)存等；二是需要多節(jié)點+先進封裝技術(shù)的整合，不論是10nm的高端芯片還是40nm、65nm的芯片都能通過2.5D或3D封裝“成全”；在“硬”功能實現(xiàn)之后，三是統(tǒng)一的異構(gòu)計算軟件，英特爾開發(fā)了通用的one API，一套API就可讓用戶方便地開發(fā)并承接超異構(gòu)集成帶來的利好。

超異構(gòu)計算將以制程與封裝、架構(gòu)、內(nèi)存、互連、安全、軟件為六大支柱，互相關(guān)聯(lián)，緊密耦合。

具體來看，在制程和封裝層面，一方面英特爾10納米工藝仍繼續(xù)推動著發(fā)展，另一方面先進封裝2.5D、3D成為推手。兩年前英特爾開發(fā)的“嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）”2.5D封裝技術(shù)，成為其異構(gòu)計算策略的一大關(guān)鍵技術(shù)。而英特爾不斷精進，在去年年底架構(gòu)日活動上展示了名為“Foveros”的3D封裝技術(shù)，開辟了新的先河。2.5D和3D封裝解決了傳統(tǒng)封裝面積大、帶寬不足等問題，并可讓連接的芯片不只是邏輯芯片和內(nèi)存，還能把邏輯芯片和邏輯芯片相連，同時實現(xiàn)立體堆疊，讓體積減少、功耗降低、帶寬提升。

而隨著海量的數(shù)據(jù)推動計算架構(gòu)快速演進并呈指數(shù)級擴展，未來十年架構(gòu)創(chuàng)新將是創(chuàng)新的主要驅(qū)動力。英特爾可提供多樣化的計算架構(gòu)包括標量(Scalar)、矢量(Vector)、矩陣(Matrix)和空間(Spatial)，分別應(yīng)用于CPU、GPU、AI和FPGA。

而英特爾的矩陣戰(zhàn)略實現(xiàn)了“端到端”。英特爾有通用CPU集成AI加速，可將深度學(xué)習(xí)性能提升十倍以上。在專用AI芯片方面，有面向訓(xùn)練的高性能GPU和專門做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速學(xué)習(xí)的NNP-L；推理側(cè)也是兩路并發(fā)，面向邊緣端的推理芯片要求功耗更低、性能更強，英特爾有VPU、EYEQ以及嵌入式EYEQ、FPGA等；而數(shù)據(jù)中心推理的芯片則有GPU、FPGA。如此通過將制程封裝和架構(gòu)設(shè)計組合在一起，來有效提升“積木式組合”的穩(wěn)定度，滿足定制化和靈活化的需求。

而在內(nèi)存、互連、安全、軟件層面，英特爾也齊頭并進。通過重塑內(nèi)存層級結(jié)構(gòu)，來破解內(nèi)存和存儲方面的帶寬“瓶頸”，提升數(shù)據(jù)管道的運行速度和系統(tǒng)性能；全面的互連產(chǎn)品包括在祼片間實現(xiàn)互連，從而助力實現(xiàn)大規(guī)模的異構(gòu)計算；在安全至上的數(shù)據(jù)層面，英特爾著力從端到端全面提升安全性。同時英特爾也深諳“硬件+軟件”配合才能給出最好的加速功能，在軟件方面創(chuàng)建了統(tǒng)一的OneAPI軟件架構(gòu)，以進一步簡化并延伸整個堆棧中的應(yīng)用開發(fā)。

這六大支柱也相當于“六大護法”：以先進制程技術(shù)進行設(shè)計，顛覆性內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)提供支持，通進先進封裝集成到系統(tǒng)中，使高速的互連技術(shù)進行超大規(guī)模部署，提供統(tǒng)一的軟件開發(fā)接口以及安全功能。

有了“六大護法”加持，一路狂彪的英特爾釋放了超異構(gòu)計算的最大優(yōu)勢，既可靈活地運用各節(jié)點芯片的功能，又解決了內(nèi)存、連接、功耗以及安全、開發(fā)等問題，這些創(chuàng)舉遠遠跳出了以往單純異構(gòu)計算的“窠臼”，將為異構(gòu)計算的下一步發(fā)展全面“加速”，亦讓“自成體系”英特爾站在了異構(gòu)計算的“超”起點。

未來對決

萬物智聯(lián)時代作為解決計算能力和功耗瓶頸的有效途徑之一，異構(gòu)計算如今可謂正逢其時。

就異構(gòu)計算的發(fā)展過程來看，異構(gòu)計算從單純挖掘并行潛力、到具有加速器的異構(gòu)計算、再到針對特定應(yīng)用定制的計算平臺、到多種平臺的高效融合，在這一過程中，異構(gòu)計算的演進也伴隨著起伏。

而無論誰是異構(gòu)芯片的“軸心”，首要的仍是封裝的“不破不立”。不得不說，英特爾超異構(gòu)計算的概念，配合制程與封裝、架構(gòu)、內(nèi)存、互連、安全、軟件“六脈神劍”，在伴隨著異構(gòu)計算的“新陳代謝”和發(fā)展模式的過程中，破解了總是如影隨形的關(guān)聯(lián)制約性，可謂意義重大，使得芯片設(shè)計從2D平鋪轉(zhuǎn)向3D堆疊，為高性能、高密度和低功耗異構(gòu)芯片制程奠定了堅實的基礎(chǔ)，亦為IC業(yè)的發(fā)展和突破打開了一扇新的大門，提供了更廣泛的靈活性和可塑性。

毫無疑問，在傳統(tǒng)芯片架構(gòu)向異構(gòu)計算演進、軟硬件生態(tài)面臨顛覆性變革之際，各大陣營的開放、眾創(chuàng)、共贏的異構(gòu)生態(tài)體系，將成為異構(gòu)計算芯片對決的重要衡量。異構(gòu)計算已走到臺前，未來是百家爭鳴還是一家獨大？讓我們等待好戲開場。