連結(jié)多種運算核心 HSA架構(gòu)提高處理器能源效率

借重HSA編程架構(gòu)　處理器達成高效能/低功耗

超微半導體現(xiàn)正著手設計與1.0版HSA相容的新款APU，而HSA規(guī)格的目的在于協(xié)助軟體利用GPU及其他處理元件的功率與效能。以GPU而非CPU來執(zhí)行高度平行碼時，APU能夠利用其GPU核心的能源效率，以及巨量平行運算來處理工作負載，更快完成任務。HSA編程架構(gòu)可將工作負載導向最佳晶片資源，例如專為特定演算法所設計的加速器，其設計宗旨在于減少完成固定工作負載所需周期數(shù)量及電力消耗，并在行動裝置的功率限制內(nèi)執(zhí)行高階運算密集式應用程式，轉(zhuǎn)由GPU而非CPU處理之后，高階行動應用程式(如語音辨識、手勢辨識、臉部辨識等次世代使用者介面和相片索引)都能獲得次方程度的效能改善。

個人電腦處理器的效能隨時間而成長，但步調(diào)相對較慢。另一方面，由于設計者將更多晶片空間留給圖形處理，以支援4K解析度的顯示設備，GPU效能得以快速攀升。藉由HSA架構(gòu)，超微半導體就能善用這種GPU效能成長。將GPU用于一般任務的優(yōu)點，展現(xiàn)于個人電腦應用程式和基準測試中(圖1)。

圖1　標準35W行動處理器的GPU運算趨勢

OpenCL是首批支援以GPU執(zhí)行平行運算的業(yè)界標準編程語言之一，可供C程式發(fā)揮語言擴充的功效，為代碼的運算密集部分帶來次方程度的效能提升。采用 OpenCL 1.x(以OpenCL 2.x全面啟用HSA的前身)加速時，PCMark 8 v2.0基準測試展現(xiàn)多達25%的增益(圖2)。

圖2　現(xiàn)有平臺經(jīng)由GPU卸載所達成的PCMark 8 v2.0加速

回頭參考圖1所示，異質(zhì)架構(gòu)利用GPU效能的快速成長，而GPU效能遠勝近代CPU效能，GPU仍會是讓未來處理器實現(xiàn)更高效能與能源效率的關(guān)鍵。每一個 GPU都有多個“著色器”核心(超微半導體將其稱之為“串流處理單元”)，每個核心都能處理整數(shù)或浮點運算，同時維持小于標準CPU核心的體積與耗電量。而且，由于每一個著色器核心都很小，所以單一晶?？梢哉蠑?shù)十甚至數(shù)百個著色器核心與個位數(shù)的通用CPU核心。因此，GPU可以對運用這么多處理核心的工作負載，產(chǎn)生次方以上程度的運算提升。上述所提及的每一種高階應用程式，都可利用GPU固有的平行運算能力，來達成如此驚人的效能增益，而且耗電量極低。

圖3顯示超微半導體從2008年“Puma”CPU處理器，到2020年預測APU的標準使用耗電降低趨勢。虛線表示至2015年的耗電趨勢，Tirias Research預測超越此點后至2020年之間降低速度會相對減緩，因為耗電已趨近于0瓦(W)。但Tirias Research預測2015年，異質(zhì)運算將大幅提升，驅(qū)動與GPU能力相稱的更高效能水準。

圖3　APU的能源使用與運算趨勢

閑置耗電量降低，將可以幫助標準使用耗電，得以從相鄰的2008年平臺“Puma”CPU的近4W，降低至2014年“Kaveri”APU的1.6W，將會產(chǎn)生2.5倍的基準耗電量改善(兩種產(chǎn)品都適用于相同的35W筆記型電腦熱功率封包)。數(shù)量更多的CPU核心、更快的時脈速度，以及GPU運算協(xié)助，使得處理器效能得以改善，讓“Kaveri”的運算力比起“Puma”高達4.5倍。因此，相較于“Puma”，“Kaveri”提供十倍 (2.5×4.5)以上的標準使用能源效率增加，如標準耗能最大效能所示。

Tirias Research預估超微半導體將利用多項遠遠超越“Kaveri”的效能改善，在2015年達成下一次的大幅耗電降低。由于耗電漸趨于零，且開始以平臺組件功率為主，未來的閑置耗電降低步調(diào)必將趨緩。Tirias Research分析，根據(jù)超微半導體產(chǎn)品規(guī)畫，該公司可望在2008年至2020年之間實現(xiàn)標準使用耗電量的大幅降低，在此12年間達成16倍的改善，如圖3A線所示。

有鑒于GPU的效能預計將持續(xù)提升，且可運用此種異質(zhì)運算能力(圖3中B實線)的應用程式將越來越多，Tirias Research預測超微半導體將于2020年達到對等點。在此點上，約有一半的尖峰值效能將來自GPU，另一半則來自CPU。保守估計，由于CPU及 GPU兩者都在持續(xù)進化，這種矽晶片資源分配方式能夠使2020年的未來APU相較于2014年的“Kaveri”產(chǎn)生四倍的運算效能提升。

Tirias Research相信更大的GPU和更趨平行的應用程式將有助于促進更顯著的效能改善。以此合理保守估計額外的四倍運算效能提升，結(jié)合至少六倍的標準使用耗電量降低，將可使超微半導體的最大效能對閑置耗電比在2014年至2020年之間展現(xiàn)高達二十五倍的改善。這是十分驚人的大幅變化，兼具兩方面之長，低閑置耗電既可以減少能源耗用，又能以高峰值效能支援未來的高階應用。

由于HSA可降低對于APU之CPU端的依賴程度，超微半導體將之視為改善高度平行工作負載效能與節(jié)電的必要方法。除了GPU之外，超微半導體現(xiàn)正配合智慧型手機晶片開發(fā)者所需，將單一功能加速器整合于APU。這些專用加速器的設計目標是以最小晶粒面積提供最高能源效率表現(xiàn)，將耗電量降到最低。專用單元的缺點在于無法輕易適應新的演算法，因為可編程性的有限。而其他替代性可編程單元如以通訊與音訊處理見長的數(shù)位訊號處理器，可替CPU核心分擔相關(guān)任務。

例如，超微半導體已于其最新APU及GPU中加入數(shù)位音效處理器，藉此解除CPU處理音訊的負擔。對如音訊處理等工作負載而言，這些微小的架構(gòu)新增可帶來極大的功率效率增益，相較于單獨以CPU處理，其增益可達兩倍至將近二十五倍不等。

超微半導體運用支援HSA的軟體結(jié)合其節(jié)電設計，讓筆記型電腦和平板電腦APU的電池續(xù)航力與峰值效能勝過現(xiàn)今水準。