賽迪智庫：異構處理器大規模應用爆發期即將到來

信息技術作為第三次產業革命代表性技術之一，極大地推動了信息產業的興起與發展。

當前，全球電子信息產業重點領域競爭格局此消彼長，半導體領域創新風起雲湧，核心晶片技術發展變革步伐進一步加快，計算呈現出全新發展趨勢，多種計算範式和架構正逐漸融合，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在，晶片架構歷經單核、同構多核等不同時期，當前正邁向異構多核時代。

伴隨並行度提高，同構系統處理器核間的並行冗餘越來越大，不可並行任務協調工作越來越多，導致系統性能增幅隨冗餘增大接近飽和。

異構多核晶片的創新涉及軟硬體等深層次創新融合與突破，是普適計算領域新熱點，也是信息產業發展重要新拐點。

全球異構計算呈現三強鼎立

信息技術正呈現雲計算與端計算、軟體與硬體、智能與交互、計算與通信等多種技術融合發展態勢。

歷經單核、同構多核等技術發展，異構多核計算晶片及系統是高性能計算、商業計算、移動計算等應用發展的必然選擇。

異構計算系統有兩種實現方式：一是將多個不同類型處理器晶片通過片間集成的方式實現節點級異構計算(稱之為片間異構);二是基於單(矽)片內集成多個不同處理器內核的異構計算晶片實現，即異構計算在晶片級實現(稱之為片內異構)。

第二種異構計算晶片技術是當前最新技術。

異構計算晶片是將不同架構的中央處理器CPU(Central Processing Unit)、圖形處理器GPU (Graphics Processing Unit)、數位訊號處理器DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field Programmable Gate Array)等特定硬體加速單元依據相關技術標準和規範有機內在融合在一顆晶片上，任務由最合適的工作單元來承擔，不同異構內核之間實現協同計算。

隨著同構多核達到一定程度，通過核的堆疊提升計算性能遇到嚴重挑戰，晶片級異構計算能夠消除同構計算時CPU、GPU、DSP之間數據傳輸時間，大大提升計算效率，並且以良好的性能協同支持圖形處理、信息通信、人工智慧、大數據等多領域應用，基於統一編程規範和標準，能大幅減小軟體開發編程難度、降低產品研製和維護成本。

晶片級異構計算已經成為解決計算與效能瓶頸的主流技術之一。

當前，全球異構計算領域呈現三強鼎立的態勢，分別是以AMD、高通、ARM、三星、北京華夏芯等為主體的全球異構計算系統HSA(Heterogeneous System Architecture)聯盟，以IBM、Google、英偉達為主體的OpenPOWER聯盟和以Intel主導的異構計算體系。

其中，Intel公司異構計算體系主要為其自身系列產品和服務使用，在PC與高性能移動計算領域優勢明顯;HSA是完全開放的異構計算聯盟，由於ARM、高通、三星等巨頭參與，在高性能移動計算領域擁有顯著優勢。

OpenPOWER聯盟以IBM POWER晶片架構技術為基礎，成立時間最晚，主要面向高性能計算領域應用。

異構計算作為新興技術同樣面臨諸多問題和挑戰，例如從傳統同構系統、片間異構到片內多核異構，如何對應不同的編程方式、軟硬體架構以及生態系統等;對於異構計算系統，無論是片間異構還是片內異構，都需要考慮如何建立完善的軟硬體體系來支撐全新異構計算體系，進而解決生態問題，使下游產業鏈用戶主動採用異構計算技術。

為應對以上困難及挑戰，在以上三強中，Intel基於其工藝、技術的先進性，在PC領域已向異構計算技術路徑發展，目前已有CPU和GPU構成的片間異構和X86加SSE(Streaming SIMD Extensions)DSP的片內異構產品，並擇機向智能終端等移動計算領域拓展。

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實現CPU+GPU+DSP+FPGA異構能力的公司。

OpenPOWER利用Power8等晶片在高性能計算領域的技術優勢和IBM產品的應用生態基礎，在高性能計算領域占有優勢。

OpenPOWER中CPU供應商IBM聯合GPU晶片供應商英偉達、FPGA供應商賽靈思發布了CPU+GPU+FPGA的片間異構計算系統，主要面向高端伺服器市場。

HSA主要提供片內異構多核解決方案——從片內異構IP(Intellectual Property)核到片內異構晶片，有效地解決了應用軟體的重用和互用，以開放方式合作共建全球異構計算產業生態。

自2010年起，全球主流晶片廠商均加大新一代異構多核處理器晶片(片內異構)的研發力度。

2015年10月，AMD發布全球第一款支持HSA標準規範的片內異構(CPU+GPU)多核桌面計算機處理器晶片;ARM和Imagination預期在2016年推出支持HSA架構的異構處理器IP核;我國華夏芯已發布支持HSA處理器系列工具鏈，並即將發布基於CPU、GPU、DSP的三核異構處理器內核的IP核及產品;聯發科發布了片內異構處理器的路線圖;高通、三星以及英偉達和IBM正在合作研發片內異構處理器產品。

由此可見，異構處理器大規模應用的爆發期即將到來。

預計未來全球範圍內，在手機、平板及其他嵌入式晶片等高性能移動計算領域，異構多核晶片市場規模約20億片，銷售額約400億美元;在桌上型電腦、筆記本電腦及工業控制等個人及專業計算機領域，市場規模約3億片，銷售額約550億美元;在大數據、人工智慧等高性能計算機領域，市場規模約1000萬片，銷售額約200億美元。

當前，全球正在研發片內異構處理器IP核的公司主要有ARM、Imagination和北京華夏芯，已經推出或者計劃推出異構多核處理器晶片的企業主要有AMD、Intel、高通、英偉達等。

全球HSA、OpenPOWER等異構計算產業聯盟其主要目標有兩個：一是主導制定與異構計算相關行業標準、規範，推動產品互操作性測試和驗證;二是聯盟成員合作共建異構計算全球應用生態，共同抗衡Intel公司在異構計算領域強大優勢。

目前異構計算領域在全球影響最大、最先推出產品的HSA聯盟是2012年由美國AMD公司發起，由約60家處理器設計、工具設計、軟體設計等公司以及大學等科研機構共同組成。

該聯盟成員有AMD、ARM、高通、三星、聯發科、德州儀器、Imagination、LG、華夏芯、華為等公司。

聯盟主要目標是：主導制定異構計算相關行業標準與規範，推動產品互操作性測試和驗證;聯盟成員合作共建異構計算全球應用生態。

基於HSA頒布的軟硬體系列接口標準和規範，業界可以設計非常豐富的產品，幾乎覆蓋了從低功耗嵌入式、智能終端、平板電腦、PC桌面系統到雲端伺服器等絕大多數設備。

華夏芯在HSA聯盟中首次提出將DSP納入HSA系統構架及編譯支撐，為異構系統的擴展做出了重要貢獻。

將推動我國高端晶片產業

異構多核計算晶片及系統可廣泛應用於高性能計算機、桌面計算機、智能終端等消費類電子產品以及裝備製造、國防軍工等各領域。

首先，異構多核計算晶片具有優勢。

與傳統同構多核計算晶片相比，異構多核計算晶片優勢主要體現在如下方面：一是性能與功耗優勢。

在同等功耗條件下，異構多核計算晶片大幅提升計算效能。

二是產品開發優勢。

異構多核計算晶片基於嚴謹標準體系，不同種類處理器單元之間能有機融合和對接，大幅降低產品開發門檻，使更多開發者可加入應用和產品開發創新。

三是差異化創新優勢。

在兼容相關標準前提下，異構計算鼓勵晶片設計人員自由選擇處理器單元，甚至可以設計自主的處理器和指令集，從而給處理器創新創造巨大空間。

四是生態構建優勢。

異構計算晶片在軟、硬體之間實現解耦，不同廠商晶片部件之間實現無縫對接和整合，在生態共建方面具有著巨大優勢，大幅降低傳統單核與同構多核時代生態瓶頸所帶來的研發障礙。

其次，晶片級異構計算推動我國高端晶片產業發展。

高端晶片是軟硬體創新基石，儘管我國已獲得了Power、ARM、MIPS等架構授權，但設計高端晶片所需IP不夠豐富，我國相關技術團隊對其獲授權架構尚不能實現完全解構。

如不能完全掌握IP核技術，那麼一旦授權中止，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等指令集核心晶片上取得一定技術與市場進展，但後續生態環境的建設仍面臨巨大挑戰。

指令集並沒有優劣之分，任何一個完備指令集都能夠用來編程實現用戶給定的任務，生態環境建設是指令集優劣唯一評價標準。

國產高端晶片所要進入的市場是傳統處理器大廠已經幾乎壟斷的市場，在市場和技術競爭日益激烈的今天，選擇非主流技術路線就意味著脫離了生態環境大家庭，註定沒有發展出路。

唯有兼容主流，依靠其生態、發展其生態，才能使國產處理器站在一個比較高的起點上，具備與國際廠商同台競技的資格。

當前，處理器對生態系統的依賴從PC開始逐步減弱。

因此，從工控市場、手機、智能電視、車載終端到高端伺服器和存儲設備，國產高端晶片生態系統的問題都能夠相對容易解決。

隨著HSA的建立與發展，HSA框架下的生態問題變得越來越小。

在HSA框架下，生態系統支持由包括ARM、AMD、高通、Imagination、聯發科、華夏芯等數十家晶片公司在內的HSA直接提供，無需開發獨立生態系統。

當前，CPU+GPU+DSP+FPGA的異構融合是晶片領域的主流發展趨勢之一，這對我國晶片產業既是挑戰又是機遇，需進一步加大布局，儘快推動異構計算晶片技術與產業生態建立。

發展異構多核計算晶片技術與產業，第一，可以擺脫我國在傳統架構晶片上與Intel等國外主流晶片廠商競爭的不利局面。

在異構處理器晶片上，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多核處理器的設計、測試與應用。

第二，可以實現異構多核處理器與國產作業系統的無縫對接與共同支撐，基於國產作業系統和國產異構多核處理器，形成牢固支撐中國信息安全的技術和產業平台。

第三，可以構建由中國主導的異構計算應用生態系統。

藉助我國在市場、應用等方面優勢地位和影響力，形成完全自主可控國產高端處理器生態系統，推進產業自主創新，兼容並蓄，使之成為國際主流的技術路徑和生態體系。

應加快推進我國異構計算產業實力

我國目前除華夏芯、華為和江南計算技術研究所外，尚無其他從事完全自主智慧財產權異構多核晶片設計公司。

當前我國發展晶片級異構計算技術與產業存在追蹤片內異構計算的大學和企業少、投入不足、整個產業鏈基礎薄弱、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。

例如：中科院龍芯以MIPS核心架構為基礎開發了一系列高端處理器，江南計算技術研究所研製的申威處理器，我國電子信息產業集團有限公司生產基於ARM V8指令集的FT-1500A系列處理器，上海兆芯收購了我國台灣威盛VIA的X86技術和梯隊，研發基於Intel X86構架超標量CPU處理器，蘇州中晟宏芯參加OpenPOWER聯盟，研製了IBM Power 8 CPU。

以上成果主要集中在傳統同構計算處理器領域，與國外同構計算處理器最高水平差距約在一代左右。

在晶片級異構計算領域，目前華夏芯、華為、江南計算技術研究所正在開展自主智慧財產權異構處理器設計研發。

其中，華為主要以ARM異構計算處理器核為基礎設計異構計算晶片和下游產品。

江南計算技術研究所研製了「申威-3」高性能異構眾核處理器，是國際上首款萬億次片上融合異構眾核處理器，成功應用於「神州VI」超級計算機。

華夏芯公司設計的CPU+GPU+DSP晶片IP核平台，從指令集、微架構到工具鏈具有完全自主智慧財產權，在高性能移動計算領域處於國際領先地位。

長期以來，我國在半導體晶片領域主要遵循跟隨戰略，導致在核心技術領域自主創新能力弱，缺乏話語權。

例如，對異構處理器新技術不敏感，沒有及時跟進HSA的硬體、過渡語言和並行編程軟體的路線圖與協議等。

一是對異構計算晶片的重要性認識不足，相關研發機構少。

片內異構多核計算晶片是構建中國處理器產業全球優勢的重要機遇，但國內除華夏芯、華為、江南計算技術研究所等少數企事業單位外，大部分處理器設計企事業單位仍在花巨資許可、引進、研發傳統同構多核計算架構。

這可能導致異構多核計算核心專利、生態系統被國外巨頭搶先布局和壟斷，阻礙我國核心晶片技術突破和創新。

二是異構計算系統技術包括晶片、總線及接口、編程工具、存儲管理、應用軟體技術等等。

異構多核晶片原始創新投入大，一般企業承受力有限。

在核心技術諸如異構多核架構指令集、微架構、工具鏈設計等環節需投入大量資金和時間以實現自主智慧財產權突破，導致企業自身壓力大。

三是對異構多核高端處理器晶片領域的新態勢、新商業模式研究較少，不擅長利用全球高端處理器晶片開放技術、標準資源。

我國到目前為止尚未有效實現利用自身巨大市場和用戶資源優勢影響全球高端處理器晶片相關聯盟朝著對我國技術和產業突破有利的方向發展。

四是發展異構多核高端晶片，需要一流的技術人才支撐，而我國大部分高端處理器晶片設計企業起點低、基礎薄弱，缺乏核心技術領軍人才和高端設計人才。

我國高端處理器晶片產業需在全球範圍內吸納高端技術與產業領軍人才。

借船出海，建立產業生態

異構計算並不容易，筆者建議應從以下幾個方面著手。

首先，以晶片級異構計算技術推動高端晶片產業發展。

異構計算晶片非常好地支持了全球信息技術領域計算與通信、軟體與硬體、高性能與低功耗等不同領域技術融合發展趨勢。

目前我國高端處理器晶片設計企業基礎薄弱，缺乏核心技術，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。

晶片級異構計算技術是一個重要的發展機遇，依託HSA全球聯盟，建立有利於我國的優勢生態，可迅速推動我國高端晶片技術與產業的發展，後發趕超。

我們應當抓住這一處理器領域千載難逢的創新和發展機遇，積極把片內異構計算與我國高端處理器晶片技術的發展、工業4.0、網際網路+以及大眾創業、萬眾創新緊密結合。

其次，以異構計算晶片推動端計算融合發展。

當前，新一代信息技術加速向生產性服務業滲透，推動網際網路與工業融合創新，並驅動傳統信息領域企業加速向實體經濟轉型。

端計算體系相關技術與產品正向形態多樣、高效智能、全面滲透的方向融合發展，由此對端計算晶片也提出更高性能需求(需要既能滿足計算密集應用，也能滿足數據密集應用的需求)。

異構計算晶片將海量數據級並行作業從過去由CPU承擔分配到GPU和DSP中運行，並讓CPU、GPU、DSP處理器之間實現協同計算，消除過去同構計算時CPU、GPU、DSP之間數據同步和傳輸開銷，從而數十倍提升計算效能。

片內異構計算晶片既能滿足計算密集型高性能計算應用的需求，也能滿足數據密集型事物處理應用的需求，可作為發展端計算技術體系的重要核心技術。

再次，依託HAS借船出海，建立高端晶片產業生態。

我國應積極參與全球異構計算產業聯盟和標準的各項研究、共建項目。

2010年後，異構計算技術與產業才在全球發展，雖然美國在晶片領域有更多的技術、市場與生態優勢，但參與、主導並推廣HSA讓我們有機會和美國站在異構計算同一個起跑線上。

當前，華夏芯已經成為HSA的董事、發起人(Promoter)，2015年10月21日，華夏芯公司副總當選為HSA總裁。

通過HSA聯盟借船出海，依託全球對抗Intel產業力量，面向兼容標準構建高端晶片自主核心技術產業生態是可行途徑。

最後，儘快籌建我國新一代異構多核計算晶片產業聯盟。

當前，我國應積極籌建新一代異構多核計算晶片產業聯盟，打造有利於我國自主發展和主導的國際化生態應用系統。

異構計算產業分工細，在專用領域技術門檻高，創新空間大，這些特徵非常有利於我國的相關企業和研究單位的共同參與，發揮我國在軟體應用與(集成電路)定製晶片方面的群體優勢，提升異構計算產業在全球的份額和地位;同時，構建我國異構計算產業聯盟和標準平台也將為相關企業參與國際一流的技術創新和產業協作提供了前所未有的舞台。

（作者林雨，系賽迪智庫集成電路產業研究所副所長）