當前，全球電子信息產(chǎn)業(yè)重點領(lǐng)域競爭格局此消彼長，半導體領(lǐng)域創(chuàng)新風起云涌，核心芯片技術(shù)發(fā)展變革步伐進一步加快，計算呈現(xiàn)出全新發(fā)展趨勢，多種計算范式和架構(gòu)正逐漸融合，開始進入“大計算”時代。從上世紀70年代Intel推出第一款處理器到現(xiàn)在，芯片架構(gòu)歷經(jīng)單核、同構(gòu)多核等不同時期，當前正邁向異構(gòu)多核時代。伴隨并行度提高，同構(gòu)系統(tǒng)處理器核間的并行冗余越來越大，不可并行任務(wù)協(xié)調(diào)工作越來越多，導致系統(tǒng)性能增幅隨冗余增大接近飽和。異構(gòu)多核芯片的創(chuàng)新涉及軟硬件等深層次創(chuàng)新融合與突破，是普適計算領(lǐng)域新熱點，也是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要新拐點。
全球異構(gòu)計算呈現(xiàn)三強鼎立
異構(gòu)計算系統(tǒng)有兩種實現(xiàn)方式：一是將多個不同類型處理器芯片通過片間集成的方式實現(xiàn)節(jié)點級異構(gòu)計算(稱之為片間異構(gòu));二是基于單(硅)片內(nèi)集成多個不同處理器內(nèi)核的異構(gòu)計算芯片實現(xiàn)，即異構(gòu)計算在芯片級實現(xiàn)(稱之為片內(nèi)異構(gòu))。第二種異構(gòu)計算芯片技術(shù)是當前最新技術(shù)。
異構(gòu)計算芯片是將不同架構(gòu)的中央處理器CPU(Central Processing Unit)、圖形處理器GPU (Graphics Processing Unit)、數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field Programmable Gate Array)等特定硬件加速單元依據(jù)相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)范有機內(nèi)在融合在一顆芯片上，任務(wù)由最合適的工作單元來承擔，不同異構(gòu)內(nèi)核之間實現(xiàn)協(xié)同計算。
隨著同構(gòu)多核達到一定程度，通過核的堆疊提升計算性能遇到嚴重挑戰(zhàn)，芯片級異構(gòu)計算能夠消除同構(gòu)計算時CPU、GPU、DSP之間數(shù)據(jù)傳輸時間，大大提升計算效率，并且以良好的性能協(xié)同支持圖形處理、信息通信、人工智能、大數(shù)據(jù)等多領(lǐng)域應(yīng)用，基于統(tǒng)一編程規(guī)范和標準，能大幅減小軟件開發(fā)編程難度、降低產(chǎn)品研制和維護成本。芯片級異構(gòu)計算已經(jīng)成為解決計算與效能瓶頸的主流技術(shù)之一。
當前，全球異構(gòu)計算領(lǐng)域呈現(xiàn)三強鼎立的態(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(Heterogeneous System Architecture)聯(lián)盟，以IBM、Google、英偉達為主OpenPOWER聯(lián)盟和以Intel主導的異構(gòu)計算體系。其中，Intel公司異構(gòu)計算體系主要為其自身系列產(chǎn)品和服務(wù)使用，在PC與高性能移動計算領(lǐng)域優(yōu)勢明顯;HSA是完全開放的異構(gòu)計算聯(lián)盟，由于ARM、高通、三星等巨頭參與，在高性能移動計算領(lǐng)域擁有顯著優(yōu)勢。OpenPOWER聯(lián)盟以IBM POWER芯片架構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，成立時間最晚，主要面向高性能計算領(lǐng)域應(yīng)用。
異構(gòu)計算作為新興技術(shù)同樣面臨諸多問題和挑戰(zhàn)，例如從傳統(tǒng)同構(gòu)系統(tǒng)、片間異構(gòu)到片內(nèi)多核異構(gòu)，如何對應(yīng)不同的編程方式、軟硬件架構(gòu)以及生態(tài)系統(tǒng)等;對于異構(gòu)計算系統(tǒng)，無論是片間異構(gòu)還是片內(nèi)異構(gòu)，都需要考慮如何建立完善的軟硬件體系來支撐全新異構(gòu)計算體系，進而解決生態(tài)問題，使下游產(chǎn)業(yè)鏈用戶主動采用異構(gòu)計算技術(shù)。為應(yīng)對以上困難及挑戰(zhàn)，在以上三強中，Intel基于其工藝、技術(shù)的先進性，在PC領(lǐng)域已向異構(gòu)計算技術(shù)路徑發(fā)展，目前已有CPU和GPU構(gòu)成的片間異構(gòu)和X86加SSE(Streaming SIMD Extensions)DSP的片內(nèi)異構(gòu)產(chǎn)品，并擇機向智能終端等移動計算領(lǐng)域拓展。
Intel公司在2015年6月以167億美元收購全球第二大FPGA公司Altera，成為目前全球唯一具備在片內(nèi)實現(xiàn)CPU+GPU+DSP+FPGA異構(gòu)能力的公司。OpenPOWER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。OpenPOWER中CPU供應(yīng)商IBM聯(lián)合GPU芯片供應(yīng)商英偉達、FPGA供應(yīng)商賽靈思發(fā)布了CPU+GPU+FPGA的片間異構(gòu)計算系統(tǒng)，主要面向高端服務(wù)器市場。HSA主要提供片內(nèi)異構(gòu)多核解決方案——從片內(nèi)異構(gòu)IP(Intellectual Property)核到片內(nèi)異構(gòu)芯片，有效地解決了應(yīng)用軟件的重用和互用，以開放方式合作共建全球異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)。自2010年起，全球主流芯片廠商均加大新一代異構(gòu)多核處理器芯片(片內(nèi)異構(gòu))的研發(fā)力度。2015年10月，AMD發(fā)布全球第一款支持HSA標準規(guī)范的片內(nèi)異構(gòu)(CPU+GPU)多核桌面計算機處理器芯片;ARM和Imagination預期在2016年推出支持HSA架構(gòu)的異構(gòu)處理器IP核;我國華夏芯已發(fā)布支持HSA處理器系列工具鏈，并即將發(fā)布基于CPU、GPU、DSP的三核異構(gòu)處理器內(nèi)核的IP核及產(chǎn)品;聯(lián)發(fā)科發(fā)布了片內(nèi)異構(gòu)處理器的路線圖;高通、三星以及英偉達和IBM正在合作研發(fā)片內(nèi)異構(gòu)處理器產(chǎn)品。
由此可見，異構(gòu)處理器大規(guī)模應(yīng)用的爆發(fā)期即將到來。預計未來全球范圍內(nèi)，在手機、平板及其他嵌入式芯片等高性能移動計算領(lǐng)域，異構(gòu)多核芯片市場規(guī)模約20億片，銷售額約400億美元;在臺式電腦、筆記本電腦及工業(yè)控制等個人及專業(yè)計算機領(lǐng)域，市場規(guī)模約3億片，銷售額約550億美元;在大數(shù)據(jù)、人工智能等高性能計算機領(lǐng)域，市場規(guī)模約1000萬片，銷售額約200億美元。當前，全球正在研發(fā)片內(nèi)異構(gòu)處理器IP核的公司主要有ARM、Imagination和北京華夏芯，已經(jīng)推出或者計劃推出異構(gòu)多核處理器芯片的企業(yè)主要有AMD、Intel、高通、英偉達等。
全球HSA、OpenPOWER等異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟其主要目標有兩個：一是主導制定與異構(gòu)計算相關(guān)行業(yè)標準、規(guī)范，推動產(chǎn)品互操作性測試和驗證;二是聯(lián)盟成員合作共建異構(gòu)計算全球應(yīng)用生態(tài)，共同抗衡Intel公司在異構(gòu)計算領(lǐng)域強大優(yōu)勢。目前異構(gòu)計算領(lǐng)域在全球影響最大、最先推出產(chǎn)品的HSA聯(lián)盟是2012年由美國AMD公司發(fā)起，由約60家處理器設(shè)計、工具設(shè)計、軟件設(shè)計等公司以及大學等科研機構(gòu)共同組成。該聯(lián)盟成員有AMD、ARM、高通、三星、聯(lián)發(fā)科、德州儀器、Imagination、LG、華夏芯、華為等公司。聯(lián)盟主要目標是：主導制定異構(gòu)計算相關(guān)行業(yè)標準與規(guī)范，推動產(chǎn)品互操作性測試和驗證;聯(lián)盟成員合作共建異構(gòu)計算全球應(yīng)用生態(tài)。基于HSA頒布的軟硬件系列接口標準和規(guī)范，業(yè)界可以設(shè)計非常豐富的產(chǎn)品，幾乎覆蓋了從低功耗嵌入式、智能終端、平板電腦、PC桌面系統(tǒng)到云端服務(wù)器等絕大多數(shù)設(shè)備。華夏芯在HSA聯(lián)盟中首次提出將DSP納入HSA系統(tǒng)構(gòu)架及編譯支撐，為異構(gòu)系統(tǒng)的擴展做出了重要貢獻。
將推動我國高端芯片產(chǎn)業(yè)
異構(gòu)多核計算芯片及系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于高性能計算機、桌面計算機、智能終端等消費類電子產(chǎn)品以及裝備制造、國防軍工等各領(lǐng)域。
首先，異構(gòu)多核計算芯片具有優(yōu)勢。與傳統(tǒng)同構(gòu)多核計算芯片相比，異構(gòu)多核計算芯片優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下方面：一是性能與功耗優(yōu)勢。在同等功耗條件下，異構(gòu)多核計算芯片大幅提升計算效能。二是產(chǎn)品開發(fā)優(yōu)勢。異構(gòu)多核計算芯片基于嚴謹標準體系，不同種類處理器單元之間能有機融合和對接，大幅降低產(chǎn)品開發(fā)門檻，使更多開發(fā)者可加入應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新。三是差異化創(chuàng)新優(yōu)勢。在兼容相關(guān)標準前提下，異構(gòu)計算鼓勵芯片設(shè)計人員自由選擇處理器單元，甚至可以設(shè)計自主的處理器和指令集，從而給處理器創(chuàng)新創(chuàng)造巨大空間。四是生態(tài)構(gòu)建優(yōu)勢。異構(gòu)計算芯片在軟、硬件之間實現(xiàn)解耦，不同廠商芯片部件之間實現(xiàn)無縫對接和整合，在生態(tài)共建方面具有著巨大優(yōu)勢，大幅降低傳統(tǒng)單核與同構(gòu)多核時代生態(tài)瓶頸所帶來的研發(fā)障礙。
其次，芯片級異構(gòu)計算推動我國高端芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展。高端芯片是軟硬件創(chuàng)新基石，盡管我國已獲得了Power、ARM、MIPS等架構(gòu)授權(quán)，但設(shè)計高端芯片所需IP不夠豐富，我國相關(guān)技術(shù)團隊對其獲授權(quán)架構(gòu)尚不能實現(xiàn)完全解構(gòu)。如不能完全掌握IP核技術(shù)，那么一旦授權(quán)中止，仍存在斷貨及安全風險，因此目前不能算自主可控。同時我國雖已在MIPS等指令集核心芯片上取得一定技術(shù)與市場進展，但后續(xù)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。指令集并沒有優(yōu)劣之分，任何一個完備指令集都能夠用來編程實現(xiàn)用戶給定的任務(wù)，生態(tài)環(huán)境建設(shè)是指令集優(yōu)劣唯一評價標準。 國產(chǎn)高端芯片所要進入的市場是傳統(tǒng)處理器大廠已經(jīng)幾乎壟斷的市場，在市場和技術(shù)競爭日益激烈的今天，選擇非主流技術(shù)路線就意味著脫離了生態(tài)環(huán)境大家庭，注定沒有發(fā)展出路。唯有兼容主流，依靠其生態(tài)、發(fā)展其生態(tài)，才能使國產(chǎn)處理器站在一個比較高的起點上，具備與國際廠商同臺競技的資格。當前，處理器對生態(tài)系統(tǒng)的依賴從PC開始逐步減弱。
因此，從工控市場、手機、智能電視、車載終端到高端服務(wù)器和存儲設(shè)備，國產(chǎn)高端芯片生態(tài)系統(tǒng)的問題都能夠相對容易解決。隨著HSA的建立與發(fā)展，HSA框架下的生態(tài)問題變得越來越小。在HSA框架下，生態(tài)系統(tǒng)支持由包括ARM、AMD、高通、Imagination、聯(lián)發(fā)科、華夏芯等數(shù)十家芯片公司在內(nèi)的HSA直接提供，無需開發(fā)獨立生態(tài)系統(tǒng)。當前，CPU+GPU+DSP+FPGA的異構(gòu)融合是芯片領(lǐng)域的主流發(fā)展趨勢之一，這對我國芯片產(chǎn)業(yè)既是挑戰(zhàn)又是機遇，需進一步加大布局，盡快推動異構(gòu)計算芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)建立。
發(fā)展異構(gòu)多核計算芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，第一，可以擺脫我國在傳統(tǒng)架構(gòu)芯片上與Intel等國外主流芯片廠商競爭的不利局面。在異構(gòu)處理器芯片上，我國與國外主流處理器廠商處在同一起跑線上，共同參與新一代異構(gòu)多核處理器的設(shè)計、測試與應(yīng)用。第二，可以實現(xiàn)異構(gòu)多核處理器與國產(chǎn)操作系統(tǒng)的無縫對接與共同支撐，基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)和國產(chǎn)異構(gòu)多核處理器，形成牢固支撐中國信息安全的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)平臺。第三，可以構(gòu)建由中國主導的異構(gòu)計算應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)。借助我國在市場、應(yīng)用等方面優(yōu)勢地位和影響力，形成完全自主可控國產(chǎn)高端處理器生態(tài)系統(tǒng)，推進產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新，兼容并蓄，使之成為國際主流的技術(shù)路徑和生態(tài)體系。
應(yīng)加快推進我國異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)實力
我國目前除華夏芯、華為和江南計算技術(shù)研究所外，尚無其他從事完全自主知識產(chǎn)權(quán)異構(gòu)多核芯片設(shè)計公司。當前我國發(fā)展芯片級異構(gòu)計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)存在追蹤片內(nèi)異構(gòu)計算的大學和企業(yè)少、投入不足、整個產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)薄弱、缺乏高端人才等諸多問題。
近二十年來，我國開展多個核心處理器研究項目，取得了包括龍芯、申威、飛騰、眾志、兆芯、中晟宏芯等一系列國產(chǎn)處理器成果，覆蓋了幾乎國際上所有主流、非主流的指令架構(gòu)。例如：中科院龍芯以MIPS核心架構(gòu)為基礎(chǔ)開發(fā)了一系列高端處理器，江南計算技術(shù)研究所研制的申威處理器，我國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司生產(chǎn)基于ARM V8指令集的FT-1500A系列處理器，上海兆芯收購了我國臺灣威盛VIA的X86技術(shù)和梯隊，研發(fā)基于Intel X86構(gòu)架超標量CPU處理器，蘇州中晟宏芯參加OpenPOWER聯(lián)盟，研制了IBM Power 8 CPU。以上成果主要集中在傳統(tǒng)同構(gòu)計算處理器領(lǐng)域，與國外同構(gòu)計算處理器最高水平差距約在一代左右。
在芯片級異構(gòu)計算領(lǐng)域，目前華夏芯、華為、江南計算技術(shù)研究所正在開展自主知識產(chǎn)權(quán)異構(gòu)處理器設(shè)計研發(fā)。其中，華為主要以ARM異構(gòu)計算處理器核為基礎(chǔ)設(shè)計異構(gòu)計算芯片和下游產(chǎn)品。江南計算技術(shù)研究所研制了“申威-3”高性能異構(gòu)眾核處理器，是國際上首款萬億次片上融合異構(gòu)眾核處理器，成功應(yīng)用于“神州VI”超級計算機。華夏芯公司設(shè)計的CPU+GPU+DSP芯片IP核平臺，從指令集、微架構(gòu)到工具鏈具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，在高性能移動計算領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。
長期以來，我國在半導體芯片領(lǐng)域主要遵循跟隨戰(zhàn)略，導致在核心技術(shù)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力弱，缺乏話語權(quán)。例如，對異構(gòu)處理器新技術(shù)不敏感，沒有及時跟進HSA的硬件、過渡語言和并行編程軟件的路線圖與協(xié)議等。
一是對異構(gòu)計算芯片的重要性認識不足，相關(guān)研發(fā)機構(gòu)少。片內(nèi)異構(gòu)多核計算芯片是構(gòu)建中國處理器產(chǎn)業(yè)全球優(yōu)勢的重要機遇，但國內(nèi)除華夏芯、華為、江南計算技術(shù)研究所等少數(shù)企事業(yè)單位外，大部分處理器設(shè)計企事業(yè)單位仍在花巨資許可、引進、研發(fā)傳統(tǒng)同構(gòu)多核計算架構(gòu)。這可能導致異構(gòu)多核計算核心專利、生態(tài)系統(tǒng)被國外巨頭搶先布局和壟斷，阻礙我國核心芯片技術(shù)突破和創(chuàng)新。
二是異構(gòu)計算系統(tǒng)技術(shù)包括芯片、總線及接口、編程工具、存儲管理、應(yīng)用軟件技術(shù)等等。異構(gòu)多核芯片原始創(chuàng)新投入大，一般企業(yè)承受力有限。在核心技術(shù)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)需投入大量資金和時間以實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)突破，導致企業(yè)自身壓力大。三是對異構(gòu)多核高端處理器芯片領(lǐng)域的新態(tài)勢、新商業(yè)模式研究較少，不擅長利用全球高端處理器芯片開放技術(shù)、標準資源。我國到目前為止尚未有效實現(xiàn)利用自身巨大市場和用戶資源優(yōu)勢影響全球高端處理器芯片相關(guān)聯(lián)盟朝著對我國技術(shù)和產(chǎn)業(yè)突破有利的方向發(fā)展。
四是發(fā)展異構(gòu)多核高端芯片，需要一流的技術(shù)人才支撐，而我國大部分高端處理器芯片設(shè)計企業(yè)起點低、基礎(chǔ)薄弱，缺乏核心技術(shù)領(lǐng)軍人才和高端設(shè)計人才。我國高端處理器芯片產(chǎn)業(yè)需在全球范圍內(nèi)吸納高端技術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才。
借船出海 建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)
異構(gòu)計算并不容易，筆者建議應(yīng)從以下幾個方面著手。
首先，以芯片級異構(gòu)計算技術(shù)推動高端芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展。異構(gòu)計算芯片非常好地支持了全球信息技術(shù)領(lǐng)域計算與通信、軟件與硬件、高性能與低功耗等不同領(lǐng)域技術(shù)融合發(fā)展趨勢。目前我國高端處理器芯片設(shè)計企業(yè)基礎(chǔ)薄弱，缺乏核心技術(shù)，沒有形成合力，僅憑自身實力無法與國際主流廠商對等抗衡。芯片級異構(gòu)計算技術(shù)是一個重要的發(fā)展機遇，依托HSA全球聯(lián)盟，建立有利于我國的優(yōu)勢生態(tài)，可迅速推動我國高端芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，后發(fā)趕超。我們應(yīng)當抓住這一處理器領(lǐng)域千載難逢的創(chuàng)新和發(fā)展機遇，積極把片內(nèi)異構(gòu)計算與我國高端處理器芯片技術(shù)的發(fā)展、工業(yè)4.0、互聯(lián)網(wǎng)+以及大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新緊密結(jié)合。
其次，以異構(gòu)計算芯片推動端計算融合發(fā)展。當前，新一代信息技術(shù)加速向生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)滲透，推動互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新，并驅(qū)動傳統(tǒng)信息領(lǐng)域企業(yè)加速向?qū)嶓w經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。端計算體系相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品正向形態(tài)多樣、高效智能、全面滲透的方向融合發(fā)展，由此對端計算芯片也提出更高性能需求(需要既能滿足計算密集應(yīng)用，也能滿足數(shù)據(jù)密集應(yīng)用的需求)。
異構(gòu)計算芯片將海量數(shù)據(jù)級并行作業(yè)從過去由CPU承擔分配到GPU和DSP中運行，并讓CPU、GPU、DSP處理器之間實現(xiàn)協(xié)同計算，消除過去同構(gòu)計算時CPU、GPU、DSP之間數(shù)據(jù)同步和傳輸開銷，從而數(shù)十倍提升計算效能。片內(nèi)異構(gòu)計算芯片既能滿足計算密集型高性能計算應(yīng)用的需求，也能滿足數(shù)據(jù)密集型事物處理應(yīng)用的需求，可作為發(fā)展端計算技術(shù)體系的重要核心技術(shù)。
再次，依托HAS借船出海，建立高端芯片產(chǎn)業(yè)生態(tài)。我國應(yīng)積極參與全球異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和標準的各項研究、共建項目。2010年后，異構(gòu)計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)才在全球發(fā)展，雖然美國在芯片領(lǐng)域有更多的技術(shù)、市場與生態(tài)優(yōu)勢，但參與、主導并推廣HSA讓我們有機會和美國站在異構(gòu)計算同一個起跑線上。當前，華夏芯已經(jīng)成為HSA的董事、發(fā)起人(Promoter)，2015年10月21日，華夏芯公司副總當選為HSA總裁。通過HSA聯(lián)盟借船出海，依托全球?qū)笽ntel產(chǎn)業(yè)力量，面向兼容標準構(gòu)建高端芯片自主核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)是可行途徑。
最后，盡快籌建我國新一代異構(gòu)多核計算芯片產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。當前，我國應(yīng)積極籌建新一代異構(gòu)多核計算芯片產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，打造有利于我國自主發(fā)展和主導的國際化生態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)。異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)分工細，在專用領(lǐng)域技術(shù)門檻高，創(chuàng)新空間大，這些特征非常有利于我國的相關(guān)企業(yè)和研究單位的共同參與，發(fā)揮我國在軟件應(yīng)用與(集成電路)定制芯片方面的群體優(yōu)勢，提升異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)在全球的份額和地位;同時，構(gòu)建我國異構(gòu)計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和標準平臺也將為相關(guān)企業(yè)參與國際一流的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)協(xié)作提供了前所未有的舞臺。