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新有諸多限制，異質系統架構則正視軟體開發者的需求，提供一個可貴的跨平臺、跨作業系統方案，讓各種應用程式開發者能更盡情開發各種軟體，發展出高效能、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，讓程式開發者能使用各種硬體，盡情地開發出高效能、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格并簡化程式開發，協助軟體開發業者進一步發揮現今GPU的絕佳優勢，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，讓軟體工程師能盡情運用異質系統架構，開發其所需要的客制化產品。

　　業界廠商與異質系統架構基金會將協助開創軟體創新的新時代，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者保持開放的態度，且歡迎具有前瞻性思維的半導體廠商、平臺供應商、作業系統業者、裝置制造商、獨立軟體廠商(ISV)、學者與開放原始碼開發者共同參與，一同挑戰整個標準系統架構，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解決方案，利用開發工具、軟體開發套件(SDK)、函式庫、技術文件、培訓，以及支援方案等資源，來推動創新內容與應用，擴大異質系統架構的影響范圍。

　　目前的創始會員包括超微、安謀國際(ARM)、ImaginationTechnologies、聯發科、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、影像開發專業公司和圖型與GPU計算科技公司Vivante，以及軟體外包商新必優資訊(Symbio)。

　　看好HSA發展廠商興致勃勃

　　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界走出沿用25年以上、對軟體創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者的需求，設計一個通用的硬體平臺，發展高效能且節能的解決方案。異質系統架構開創出全新的發展空間，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。

　　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。透過開放性產業標準，開發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

　　超微正以其開發加速處理器(APU)的專業經驗，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。