徹底釋放運算能力 處理器邁向異質系統架構

　　“傳統處理器架構受限GPU運算能力，故在硬體開發(fā)上有許多限制，而異質系統架構則可以讓CPU、GPU和其他處理器協同運作于單一晶片與單一記憶體位址，并順暢分配工作，讓最適合的單元處理特定任務，以提高效能并降低功耗。

　　行動運算(MobileComputing)與云端運算(CloudComputing)時代已然到來，次世代運算技術也正開始其革命性的轉變，過去幾年間，異質系統架構(HeterogeneousSystemArchitecture,HSA)儼然成為趨勢，并將成為現今最受歡迎的智慧聯網裝置的主導架構。

　　傳統系統架構對軟體創(chuàng)新有諸多限制，異質系統架構則正視軟體開發(fā)者的需求，提供一個可貴的跨平臺、跨作業(yè)系統方案，讓各種應用程式開發(fā)者能更盡情開發(fā)各種軟體，發(fā)展出高效能、低功耗且最能順應時代快速變遷的解決方案。傳統處理系統架構并非著重于繪圖處理器(GPU)運算能力的完全釋放，故在開發(fā)上有諸多限制。異質系統架構的目標則是使中央處理器(CPU)與GPU間如陰與陽般完美協同運作，讓程式開發(fā)者能使用各種硬體，盡情地開發(fā)出高效能、低功耗且能順應快速變動的使用者需求的解決方案。

　　異質系統架構加速軟體開發(fā)進度

　　異質系統架構是指系統可讓包含CPU、GPU在內的不同運算單元能在單一晶片上和諧運作，順暢移動并分配工作，讓最適合的單元處理特定工作任務(圖1)。

　　異質系統架構聚焦軟體開發(fā)者需求，設計跨平臺裝置以及通用的硬體平臺。另外，異質系統架構的概念系期望打造一個單一架構規(guī)格并簡化程式開發(fā)，協助軟體開發(fā)業(yè)者進一步發(fā)揮現今GPU的絕佳優(yōu)勢，并透過搭載于異質性處理器內的平行運算引擎，徹底釋放更佳的效能并提升用電效率。

　　基于異質系統架構的標準化異質性編程模式，讓開發(fā)者在可負擔的成本下更容易推動客制化的軟體，并于現今達555億美元且持續(xù)成長的異質性處理器(亦即混合式處理器)市場中獲益。異質系統架構簡化平行運算的軟體開發(fā)，讓軟體工程師能盡情運用異質系統架構，開發(fā)其所需要的客制化產品。

　　業(yè)界廠商與異質系統架構基金會將協助開創(chuàng)軟體創(chuàng)新的新時代，打造前所未有的使用者經驗，提升云端資料管理、串流傳輸以及資料安全等。

　　CPU/GPU共享同一記憶體空間hUMA標準解決處理器運算難題

　　異質運算系統架構結合CPU上的純量處理和GPU上的平行處理能力，訴求系統中的CPU、GPU協同運作，為達此效率，GPU的系統記憶體存取方式已有了顯著的改變。

　　傳統處理器設計中，CPU和GPU各自獨立運作，且各具獨立的記憶體空間，讓處理器有許多無效率及效能瓶頸的情形。

　　為解決CPU與GPU記憶體空間各自分立的運算問題，業(yè)界提出一項新技術--異質運算架構統一記憶體存取(heterogeneousUniformMemoryAccess,hUMA)。

　　透過hUMA，CPU和GPU能共享并存取同一個記憶體空間，GPU亦可直接存取CPU的記憶體位址，如圖2所示。

　　hUMA架構可以讓GPU完全存取CPU的記憶體位址，并且讓CPU和GPU在記憶體空間上所讀取的資訊保持一致。CPU只須移動指標(Pointer)將相關資訊傳遞到GPU，GPU便可以直接存取資料，毋須等待CPU將內容復制到GPU的記憶體，此舉可以避免不必要的位址錯置或功耗浪費。

　　hUMA帶來的硬體一致性，包含以下三個主要功能：

　　.一致記憶體

　　確保CPU和CPU快取記憶體可以同步看到最新的資料數據。

　　.分頁記憶體

　　允許GPU順暢的存取(還)沒出現在實際記憶體(PhysicalMemory)中的虛擬記憶體位址。

　　.整體記憶體空間

　　CPU和GPU都可以存取并分配系統虛擬記憶體空間內的任何位置。

　　推廣異質運算技術HSA基金會誕生

　　異質系統架構基金會成立于2012年，為一個獨立運作的非營利組織，對所有致力于新一代運算效能與能源效率的業(yè)者保持開放的態(tài)度，且歡迎具有前瞻性思維的半導體廠商、平臺供應商、作業(yè)系統業(yè)者、裝置制造商、獨立軟體廠商(ISV)、學者與開放原始碼開發(fā)者共同參與，一同挑戰(zhàn)整個標準系統架構，結合CPU、GPU、數位訊號處理器(DSP)及其他加速器，帶動運算基礎更加進步，使異質性平行運算裝置的程式開發(fā)大幅簡化。

　　異質系統架構基金會正在透過免權利金詳細計劃書(RoyaltyFreeSpecifications)和開放源碼軟體來推動其計劃。異質系統架構基金會的成員針對異質化運算推出性能強大的開發(fā)解決方案，利用開發(fā)工具、軟體開發(fā)套件(SDK)、函式庫、技術文件、培訓，以及支援方案等資源，來推動創(chuàng)新內容與應用，擴大異質系統架構的影響范圍。

　　目前的創(chuàng)始會員包括超微、安謀國際(ARM)、ImaginationTechnologies、聯發(fā)科、德州儀器(TI)、三星(Samsung)與高通(Qualcomm)。其余異質系統架構基金會成員還有Apical、Network-on-chip矽智財公司Arteris和Sonics、軟體工具公司MulticoreWare、影像開發(fā)專業(yè)公司和圖型與GPU計算科技公司Vivante，以及軟體外包商新必優(yōu)資訊(Symbio)。

　　看好HSA發(fā)展廠商興致勃勃

　　異質系統架構基金會總裁暨超微全球院士PhilRogers表示，異質系統架構帶領業(yè)界走出沿用25年以上、對軟體創(chuàng)新有諸多限制的傳統系統架構。異質系統架構正視軟體開發(fā)者的需求，設計一個通用的硬體平臺，發(fā)展高效能且節(jié)能的解決方案。異質系統架構開創(chuàng)出全新的發(fā)展空間，含括個人電腦(PC)、智慧型手機、平板及超輕薄筆記型電腦(Ultrabook)，以及創(chuàng)新的超級電腦與云端服務，這些方案構成現代運算經驗的定義。

　　超微異質應用與開發(fā)解決方案部門全球副總裁ManjuHegde則指出，超微在1年多前率先宣布實踐異質系統架構理想的藍圖，并著手將CPU與GPU融合為單一處理引擎，打造為一個全新的設計架構，大幅簡化異質化平臺的編程作業(yè)。

　　ARM院士暨媒體處理器部門技術副總裁JemDavies表示，人們對于連結到數位世界的科技需求日益升高，而圖形繪圖介面則是打造優(yōu)質使用經驗一個不可或缺的關鍵因素，但往往會因此影響系統整體的電力表現。透過開放性產業(yè)標準，開發(fā)者可在不犧牲電力效率下，提供最卓越的繪圖表現。

　　另外，ImaginationTechnologies行銷副總裁TonyKing-Smith也表示，Imagination長期以來一直認為異質化處理架構是未來系統單晶片(SoC)設計能發(fā)揮其擴充性、彈性與效能的重要基礎。結合CPU與功能日益強大的整合繪圖晶片，加上符合各種業(yè)界標準的應用程式介面(API)，包括OpenCL、RenderscriptCompute與DirectCompute，將是邁向目標的第一步。

　　HSA架構APU下半年現身

　　超微正以其開發(fā)加速處理器(APU)的專業(yè)經驗，結合異質運算架構標準，為客戶打造出更高效能、更低功耗的處理器。超微將于2013年下半年推出第一款基于異質系統架構產品，代號為Kaveri的APU。

　　日前，超微也發(fā)表代號為柏林(Berlin)的伺服器APU，期望能提供卓越的每瓦運算效能，并造就高運算密度，柏林預定在2014年第一季問世。

　　hUMA智慧運算架構前景看俏

　　異質系統架構被預期將為未來處理器設計的樣貌帶來巨大沖擊，因為異質系統架構，GPU和CPU成為系統中平等的要素和參與者。

　　CPU不論現在和未來都將是串列工作的最佳處理單元，這表示現今很多應用程式使用延遲敏感(LatencySensitive)的記憶體運算，而這些程式工作負載的設計有著串列和純量的分別，且其程式碼有著相當多的分支。另一種程式碼則是盡可能地進行平行運算，此種程式碼有著數以萬計、甚至是數以千萬計重復的資料運算動作，而GPU極為適合此類運算。

　　透過hUMA帶來的智慧運算架構，將可順暢地分配相應的工作任務至最適合的處理單元，使CPU、GPU和其他處理器協同運作于單一晶片和單一記憶體位址上，且順暢移動并分配工作，讓最適合的單元來處理特定工作任務。