全球異構計算三強鼎立 我國高端芯片產業迎新機遇

　　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云涌，核心芯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，多種計算范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，芯片架構歷經單核、同構多核等不同時期，當前正邁向異構多核時代。伴隨并行度提高，同構系統處理器核間的并行冗余越來越大，不可并行任務協調工作越來越多，導致系統性能增幅隨冗余增大接近飽和。異構多核芯片的創新涉及軟硬件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

　　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芯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);二是基于單(硅)片內集成多個不同處理器內核的異構計算芯片實現，即異構計算在芯片級實現(稱之為片內異構)。第二種異構計算芯片技術是當前最新技術。

　　異構計算芯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相關技術標準和規范有機內在融合在一顆芯片上，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，芯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，并且以良好的性能協同支持圖形處理、信息通信、人工智能、大數據等多領域應用，基于統一編程規范和標準，能大幅減小軟件開發編程難度、降低產品研制和維護成本。芯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，由于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芯片架構技術為基礎，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、軟硬件架構以及生態系統等;對于異構計算系統，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件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采用異構計算技術。為應對以上困難及挑戰，在以上三強中，Intel基于其工藝、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，并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等芯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芯片供應商英偉達、FPGA供應商賽靈思發布了CPU+GPU+FPGA的片間異構計算系統，主要面向高端服務器市場。HSA主要提供片內異構多核解決方案——從片內異構IP(Intellectual Property)核到片內異構芯片，有效地解決了應用軟件的重用和互用，以開放方式合作共建全球異構計算產業生態。