異構計算中的挑戰(zhàn)與解決方案

程序員在使用現有編程語言實現應用程序方面歷來面臨重大挑戰(zhàn)。其中最重要的是異構處理器中固有的多本機指令集架構 （ISA）。如今，由于引入了異構系統(tǒng)架構 （HSA），這些擔憂正在得到解決。

復雜的片上系統(tǒng) （SoC） 是當今大多數電子產品的核心。通常由廣泛的 IP 塊組成，通常來自不同的供應商，這些塊包括從通用處理器 （CPU） 到深度神經網絡 （DNN） 的所有內容。每一個通常都是用不同的專有語言設計和編程的，為開發(fā)人員創(chuàng)建了一個技術“巴別塔”。可以理解的是，必須找到一種解決方案，該解決方案能夠有效且具有成本效益地解決當今日益增長的硬件多樣性。

向異構架構邁進

異構系統(tǒng)架構已成功解決了多個不同處理器的編程問題并利用了異構的力量。開發(fā)人員越來越意識到異構芯片及其在顯著降低執(zhí)行復雜計算應用程序所需功率方面的潛力。當程序針對專門的異構系統(tǒng)進行優(yōu)化時，每個系統(tǒng)處理器都可以使用該特定功能所需的最少功率來執(zhí)行代碼。結果是比非異構系統(tǒng)在更低功率下的性能更高。

但是 HSA 還有另一個好處，它最終允許開發(fā)人員更快地設計和編程日益復雜的異構系統(tǒng)。它有助于確保在正確的時間為正確的任務使用正確的處理器。結合高速緩存一致的共享虛擬內存，HSA 系統(tǒng)實現了對內存的高帶寬訪問，提高了應用程序性能并降低了功耗。

兩全其美

異構計算結合了通用計算和專用計算的優(yōu)點。它指定了 CPU 如何與加速器“對話”，并且經常發(fā)現兩者都集成在同一個硅芯片上。因此，異構處理器（例如 CPU、GPU、DSP、FPGA、專用加速器等）最終可以集成并協(xié)作，以實現給定應用的性能和功耗的理想平衡?？梢岳斫獾氖?，當今大多數設計師都傾向于在他們構建的系統(tǒng)中進行更大程度的集成。雖然這給設計過程增加了一定程度的難度，但這種方法的好處——速度、更少的設備和更低的總體成本——超過了固有的挑戰(zhàn)。

創(chuàng)建統(tǒng)一標準

自 HSAF 于 2012 年成立以來，HSA 計算標準取得了重大進展。如今，不僅有免版稅的開放規(guī)范可用，而且還有完全可操作的生產系統(tǒng)。HSA 對系統(tǒng)設計人員的吸引力越來越大。它簡化了異構編程，創(chuàng)建了允許使用許多常見編程語言（包括 C/C++、Python、OpenCL、Java 等）對不同類型的處理器進行編程的標準。HSA 巧妙地使用單個源文件并自動將應用程序的一部分分發(fā)到進行實際計算的最佳處理器。

調查強調了 HSA 的廣泛吸引力

在最近對 HSA 基金會成員進行的一項調查中，100% 的人表示他們的系統(tǒng)具有 HSA 功能，80% 的人現在符合 HSA 標準。受訪者還提到改進的 SoC 設計和編程流程、來自不同 IP 供應商的模塊之間更大的互操作性、更高的性能和更低的功耗。大多數公司表示他們將繼續(xù)使用多種編程語言，包括 ISO C++、ISO C11/C99、OpenMP 3.1/4.0 with C 和其他幾種語言。受訪者還表示需要為包括全局調試在內的技術開發(fā)解決方案，進一步定義內存模型、安全性、虛擬化和 HSAIL 擴展。

給用戶帶來好處

異構系統(tǒng)是各種技術顛覆的核心。平板電腦、智能手機和科學計算機都是作為專門系統(tǒng)創(chuàng)建的。展望未來，異構架構在創(chuàng)建下一代顛覆性設備方面發(fā)揮著至關重要的作用。這包括 46% 的臺式機和移動設備；69% 的服務器、物聯網和嵌入式設備以及 92% 的人工智能和計算機視覺系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷