1 處理器類型：從CPU到ASIC

1.1 CPU指令集架構ISA

ISA（Instruction Set Architecture，指令集架構），是計算機體系結構與編程相關的部分（不包含組成和實現）。ISA定義了：指令集、數據類型、寄存器、尋址模式、內存管理、I/O模型等。

CPU圖靈完備，是可自運行的處理器：CPU主動從指令內存讀取指令流，然后譯碼后執行；指令執行會涉及到數據的載入(Load)、計算和存儲(Store)。

我們可以把處理器簡單地分為控制平面和計算平面兩部分。

CPU是指令流驅動計算的處理引擎。

1.2 （CPU視角的）GPU架構

架構側重軟硬件之間的交互“接口”，而微架構側重具體實現。因此，GPU架構通常指的是CPU視角看到的GPU“接口”。從CPU視角看GPU的處理流程：

CPU把數據準備好，并保存在CPU內存中；

將待處理的數據從CPU內存復制到GPU內存（處理①）；

CPU指示GPU工作，配置并啟動GPU內核（處理②）；

多個GPU內核并行執行，處理準備好的數據（圖中的③處理）；

處理完成后，將處理結果復制回CPU內存（處理④）；

CPU把GPU的結果進行后續處理。

1.3 ASIC專用處理引擎

ASIC功能邏輯完全確定：通過驅動程序和CSR和可配置表項交互，以此來控制硬件運行。

ASIC覆蓋的場景較小，并且類型多種多樣；即使同一場景，不同廠家實現依然存在差別；ASIC場景碎片化，毫無生態可言。

和GPU類似，ASIC的運行依然需要CPU的參與：

數據的輸入：數據在內存準備好，CPU控制ASIC引擎的輸入邏輯，把數據從內存搬到處理引擎；

ASIC的運行控制：控制CSR、可配置表項、中斷等；

數據的輸出：CPU控制ASIC引擎的輸出邏輯，把數據從引擎搬到內存，等待后續處理。

ASIC是數據流驅動計算的處理引擎。

1.4 DSA領域專用架構

DSA是在ASIC基礎上的回調，具有一定的可編程能力，覆蓋場景更多，性能和ASIC同量級。

DSA經典案例：

AI-DSA，如谷歌TPU；

網絡DSA，如Intel Barefoot P4-DSA網絡交換芯片。

1.5 小結：從CPU到ASIC，架構越來越碎片化

指令是軟件和硬件的媒介，指令的復雜度（單位計算密度）決定了系統的軟硬件解耦程度。

按照指令的復雜度，典型的處理器平臺大致分為CPU、協處理器、GPU、FPGA、DSA、ASIC。

世間萬物由基本粒子組成，復雜處理由基本計算組成。

指令復雜度越高，單個處理器引擎覆蓋的場景就會越小，處理器引擎的形態就會越多。

從CPU到ASIC，處理器引擎越來越碎片化，構建生態越來越困難。

2 計算架構：從異構到超異構

2.1 CPU性能瓶頸，引發連鎖反應

在云計算、邊緣計算以及一些超級終端的復雜計算場景，對靈活性的要求遠高于對性能的要求。

CPU通用靈活性好，在符合性能要求的情況下，各類復雜計算場景，CPU依然是最優選擇。

對算力的需求不斷增加，不得不通過各種異構加速方式進行性能優化。

實踐證明，在復雜計算場景，提升性能的同時，不能損失通用靈活性（言外之意，目前很多技術方案損害了靈活性）。

2.2 異構計算存在的問題

復雜計算的挑戰：系統越復雜，需要選擇越靈活的處理器；性能挑戰越大，需要選擇越偏向定制的加速處理器。本質矛盾是：單一處理器無法兼顧性能和靈活性；即使我們拼盡全力平衡，也只“治標不治本”。

CPU+xPU異構計算中的xPU，決定了整個系統的性能/靈活性特征：

GPU靈活性較好，但性能效率不夠極致；

DSA性能好，但靈活性差，難以適應復雜計算場景對靈活性的要求。案例：AI落地困難。

FPGA功耗和成本高，需要一些定制開發，落地案例不多。

ASIC功能完全固定，難以適應靈活多變的復雜計算場景。

異構計算還存在計算孤島的問題：

異構計算面向某個領域或場景，領域之間的交互困難。

服務器物理空間有限，無法多個物理加速卡，需要把這些加速方案整合；

需要強調的是：整合，不是簡單的拼湊，而是要架構重構。

2.3 超異構存在的前提條件：復雜系統和超大規模

基礎特征：①超大規模的計算集群；②復雜宏系統，是由分層分塊的組件(系統)組成。

單服務器的宏系統復雜度，以及超大規模的云和邊緣計算，使得“二八定律”在系統中普遍存在，因此，可以把：相對確定的任務沉淀到基礎設施層，相對彈性的沉淀到彈性加速部分，其他繼續放在CPU（CPU兜底）。

2.4 從異構并行到超異構并行

計算從單核的串行走向多核的并行；又進一步從同構并行走向異構并行。未來，計算需要進一步從異構并行走向超異構并行。

異構計算是CPU+xPU的兩個層次的處理引擎類型，而超異構計算則是CPU+GPU+DSA的三個層次的處理引擎類型。

超異構計算，不是簡單的集成，而是把更多的異構計算整合重構，各類型處理器間充分的、靈活的數據交互，形成統一的超異構計算宏系統。

2.5 Intel：超異構、XPU和oneAPI

2019年，Intel提出超異構計算相關概念；目前為止，Intel沒有完全符合超異構概念的產品。

超異構計算的基礎引擎是XPU，XPU是多種架構的組合，包括CPU、GPU、FPGA 和其他加速器；

oneAPI是開源的跨平臺編程框架，底層是不同的XPU處理器，通過OneAPI提供一致性編程接口，使得應用跨平臺復用。

2.6 Intel超異構分析

2.7 NVIDIA自動駕駛Thor

（上圖為Atlan架構示意圖，Atlan和Thor架構相同，性能上有差異）

NVIDIA自動駕駛Thor芯片，由數據中心架構的CPU+GPU+DPU三部分組成，算力高達2000TFLOPS的超異構計算芯片。

Thor是把傳統多個DCU（SOC）的功能融合成單個超異構處理芯片。

2.8 為什么是現在？

首先，是需求驅動。軟件新應用層出不窮，兩年一個新熱點；并且，已有的熱點技術仍在快速演進。元宇宙是繼互聯網和移動互聯網之后的下一個互聯網形態，要想實現元宇宙級別的體驗，需將算力提升1000倍。

其次，工藝和封裝支撐。工藝封裝持續進步，工藝10nm以下，芯片從2D->3D->4D。Chiplet使得在單芯片層次，可以構建規模數量級提升的超大系統。系統規模越大，超異構的優勢越明顯。

最后，系統架構需要持續創新。通過架構創新，在單芯片層次，實現多個數量級的性能提升。挑戰：異構編程很難，超異構編程更是難上加難；如何更好地駕馭超異構，是成敗的關鍵。

2.9 小結：超異構設計和開發難度呈指數上升

軟件需要跨平臺復用，跨①不同架構、②不同處理器類型、③不同廠家平臺、④不同位置、⑤不同設備類型。

如此復雜的超異構該如何駕馭？

3 開放架構和生態的現狀

3.1 開放架構和生態綜述

系統必然是在某個層次開放：

用戶接口：應用程序必須提供UI供用戶使用。

開發庫：指提供函數的代碼，開發者可以從自己的代碼中調用這些函數來處理常見任務，如CUDA庫等。

操作系統：提供系統調用接口。

硬件需要提供硬件接口/架構，給系統軟件調用，如I/O接口、CPU架構、GPU架構等。

互操作性：不同的系統、模塊一起協同工作并共享信息的能力。系統堆棧的相鄰兩層，遵循配對的接口協議進行交互；如果接口不匹配，就需要有接口轉換層。

開放接口/架構及生態：基于互操作性，形成標準的開放的接口/架構；大家遵循此接口/架構開發產品和服務，從而形成開放生態。

3.2 RISC-V：開放CPU架構

x86架構主要應用在PC和數據中心領域，ARM架構主要應用在移動領域，目前也在向PC和服務器領域拓展。

為了給芯片提供低成本CPU，加州大學伯克利分校開發了RISC-V， RISC-V已成為行業標準的開放ISA。

理論上可通過靜態編譯、動態翻譯等方式，實現跨不同CPU架構運行。但都存在損耗及穩定性等問題，需要很多移植方面的工作。

一個平臺上的程序難以在其他平臺上運行（靜態），運行時跨平臺（動態）更是難上加難。

理想情況，如果形成RISC-V的開放生態，沒有了跨平臺的損耗和風險，大家可以把精力專注于CPU微架構及上層軟件的創新。

RISC-V的優勢：

免費。指令集架構免費獲取，不需要授權，沒有商業上掣肘。

開放性。任何廠家就可以設計自己的RISC-v CPU，大家共建一套開放的生態，共榮共生。

簡潔高效。沒有歷史包袱，ISA更高效。

標準化。最關鍵的價值。如果RISC-v變成主流架構，就沒有了跨平臺等成本或代價。

3.3 GPU架構生態

目前，GPU還沒有像CPU RISC-V一樣，有標準化的、開源的ISA架構。

CUDA是NVIDIA GPU的開發框架，向前兼容。

OpenCL是完全開放的異構開發框架，可以跨CPU、GPU、FPGA等處理引擎。

3.4 DSA，混戰

①DSA領域多種多樣，即使同一領域，②不同廠家的DSA架構仍不相同，甚至③同一廠家不同代產品的架構也不相同。

最典型的AI-DSA場景，目前就處在各種DSA架構混戰的階段。

要想構建DSA的生態：

軟件定義，不需要開發應用，兼容已有軟件生態；

少量編程（許多DSA編程，類似靜態配置腳本），門檻較低的標準的領域編程語言；

開放架構，防止架構過多導致的市場碎片化。

DSA架構一般來說分為靜態和動態兩部分：

靜態部分。類配置腳本，通過編譯器映射到具體的DSA引擎，編程實現DSA引擎的具體功能。

動態部分。DSA的動態部分通常不是編程實現，而是跟已有軟件進行適配；相當于是把軟件的數據平面/計算平面卸載到硬件，控制平面依然在軟件；符合軟件定義的思路。

3.5 DSA/ASIC集成平臺：NVIDIA DPU

DPU集成虛擬化、網絡、存儲、安全等DSA/ASIC引擎，DOCA框架：庫文件、運行時和服務、驅動程序組成。

DPU/DOCA是非開源/開放的封閉架構、平臺和生態。

3.6 DSA/ASIC集成平臺：Intel IPU

和NVIDIA DPU類似，Intel IPU集成虛擬化、網絡、存儲、安全等DSA/ASIC引擎。

IPDK是開源的基礎設施編程框架，可運行在CPU、IPU、DPU或交換機。

Intel和Linux基金會的OPI項目：為基于 DPU/IPU 類技術的下一代架構和框架，培育一個標準的開放生態系統。

Intel IPU/IPDK/OPI是開源/開放的架構、平臺和生態。

3.7 硬件使能：Hardware Enablement

隨著數據中心演變成虛擬機、裸金屬機和容器的組合，OpenStack社區擴大成新的OpenInfra社區。

旨在推進開放基礎設施領域技術發展，包括：公共云、私有云、混合云，以及AI/ML、CI/CD、容器、邊緣計算等。

Ubuntu硬件使能版本：為了更好地支持最新的硬件，會經常更新內核版本，不太適合企業用戶。

OpenInfra硬件使能：軟件組件需要在云和邊緣環境使能硬件，包括GPU、DPU、FPGA等。

在硬件加速/軟件卸載的語境下，硬件使能可以理解成：

軟件要支持硬件加速，“硬件加速原生”；

如果存在硬件加速的資源，則采用硬件加速模式；

如果不存在硬件加速的資源，則繼續采用傳統的軟件運行模式。

4 硬件定義軟件，還是軟件定義硬件？

4.1 系統的控制平面和計算平面

把分層分塊的系統，映射到軟硬件具體實現：控制平面運行在CPU，計算/數據平面運行在CPU、GPU、DSA等處理引擎。

4.2 泛義的軟硬件接口

泛義的接口：

塊和塊之間、層和層之間的接口；

軟件和軟件之間、硬件和硬件之間、軟硬件之間的接口。

軟件和硬件之間的接口：

硬件定義接口，軟件適配；

軟件定義接口，硬件適配；

硬件/軟件定義接口，軟件接口適配層；

硬件/軟件定義接口，接口適配層卸載；

軟件硬件設計遵循標準接口（要求：標準、高效、開源、迭代）。

4.3 什么是硬件/軟件定義？

系統是由軟件和硬件組成，也必然是軟硬件協同的。從軟硬件的相互關系和影響，闡述軟件定義和硬件定義。

評價標準：系統的業務邏輯由誰決定；軟件和硬件的交互接口（架構）由誰決定。

“硬件定義軟件”定義為：系統的業務邏輯以硬件實現為主，軟件實現為輔；軟件依賴于硬件提供的接口構建。

“軟件定義硬件”定義為：當一個系統的業務邏輯以軟件實現為主，硬件實現為輔；或者硬件引擎是軟件可編程的，硬件引擎按照軟件編程的邏輯執行操作；硬件依賴于軟件提供的接口構建。

4.4 硬件/軟件定義的依據：系統復雜度

硬件定義軟件，還是軟件定義硬件，跟系統復雜度是休戚相關的。

系統復雜度較小，迭代較慢。可以快速設計優化的系統軟硬件劃分，先硬件開發，然后開始系統層和應用層的軟件開發。

量變引起質變，隨著系統復雜度上升，系統迭代快，直接實現一個完全優化的設計難度很大。系統實現變成了演進式：

前期系統不夠穩定，算法和業務邏輯在快速迭代，需要快速實現想法。這樣，基于CPU的軟件實現就比較合適；

隨著系統發展，算法和業務邏輯逐漸穩定，后續逐步優化到GPU、DSA等硬件加速來持續優化性能。

硬件定義還是軟件定義？本質上是系統定義。系統的復雜度過高，實現難以一次到位，于是系統的實現，變成了持續優化和迭代的過程。

4.5 硬件/軟件定義的本質：歸納和演繹

硬件/軟件定義的本質，是通過歸納和演繹實現系統及系統的發展。從長期和發展的視角看，系統是由軟硬件共同定義的。我們以典型的處理引擎實現進行分析：

CPU：把所有領域歸納出共性（最基本的指令），這個共性“放之四海皆準”。也即是說，相對其他平臺，“CPU不需要再歸納”，只需要持續演繹新的領域和場景。軟件定義：CPU已經是成熟的軟件平臺，可以基于CPU快速實現系統原型，當系統的算法和業務邏輯穩定后，可通過硬件加速進行性能優化。

GPU：把很多個領域歸納出共性，然后硬件實現共性，軟件實現個性。GPU平臺實現后，可以持續演繹新的領域新的場景。GPU是足夠通用、成熟的并行計算開發平臺。

DSA：把某個領域多個場景的業務邏輯進行歸納：硬件實現共性部分，軟件實現個性部分。DSA平臺實現后，可以在此領域演繹新的場景。

ASIC：具體場景的算法和業務邏輯直接變成硬件，軟件只是基本的控制作用。直接映射，談不上歸納和演繹。

5 總結：軟硬件共同定義，超異構開放生態

5.1 軟件原生支持硬件加速

軟件原生支持硬件加速：

軟件架構調整，控制面和計算/數據面分開；

控制面和計算/數據面接口標準化；

硬件加速資源的發現能力，自適應選擇軟件計算/數據面或硬件計算/數據面。

數據的輸入，可以來源于軟件，也可以來源于硬件；

數據的輸出，可以去向軟件，也可以去向硬件。

5.2 完全可編程

完全可編程，不是CPU可編程，而是在極致優化性能基礎之上的可編程。完全可編程是分層的可編程體系：

基礎設施層可編程。基礎設施層Workload不經常變化，可以采用DSA架構。

彈性應用可編程。支持主流GPU編程方式，可以把常見應用通過DSA，實現更高效率的加速。

應用可編程。應用不確定性最大，仍然運行在CPU。同時，CPU負責兜底，所有其他不適合加速或沒有加速引擎的任務都在CPU運行。

實現完全可編程的同時，性能數量級的提升：

從整個系統看，絕大部分是DSA加速的，因此系統的性能效率接近于DSA；

Chiplet+超異構，系統規模數量級提升，系統性能數量級提升；

從用戶角度，應用運行在CPU，用戶體驗到的是100%的CPU可編程。

5.3 開放接口和架構

ASIC/DSA覆蓋的領域/場景較小，芯片對場景的覆蓋（相比CPU、GPU）越來越碎片化。

構建生態越來越困難。需要從硬件定義，逐步轉向軟件定義。

超異構計算，包括CPU、GPU，也包括多種DSA、ASIC類型的處理器。

異構的引擎架構越來越多，必須構建高效的、標準的、開放的接口和架構體系，才能構建一致性的宏架構（多種架構組合）平臺，才能避免場景覆蓋的碎片化。

5.4 計算需要跨不同類型處理器

超異構包含CPU、GPU、FPGA、DSA等不同類型的處理器，計算任務需要跨不同類型的處理器運行。

oneAPI是Intel開源的跨平臺編程框架，通過oneAPI提供一致性編程接口，使得應用可以跨不同類型處理器運行。

更廣泛的，不僅僅是跨不同類型的處理器，還要能跨不同廠家的芯片平臺。

5.5 超異構開放生態

要想提升算力利用率，就需要把一個個孤島的計算資源，整合成統一的資源池。

需要通過跨平臺融合，實現計算資源池化：

維度一：跨同類型處理器架構。如軟件可以跨x86、ARM和RISC-v CPU運行。

維度二：跨不同類型處理器架構。軟件需要跨CPU、GPU、FPGA和DSA等處理器運行。

維度三：跨不同的芯片平臺。如軟件可以在Intel、NVIDIA等不同公司的芯片上運行。

維度四：跨云網邊端不同的位置。計算可以根據各種因素的變化，自適應的運行在云網邊端最合適的位置。

維度五：跨不同的云網邊服務供應商、不同的終端用戶、不同的終端設備類型。

超異構時代，必須要形成開放的生態，才能讓計算資源形成一個整體，才能滿足元宇宙等應用場景對算力數量級提升的要求。

5.6 軟硬件共同定義：超異構開放生態

首先，是超異構計算架構。CPU+GPU+FPGA+DSA等多種架構處理引擎組成的超異構計算；實現既要又要：接近CPU的靈活性，接近ASIC的性能效率，以及多個數量級提升的性能。

其次，要平臺化&可編程。兩個一切：軟件定義一切，硬件加速一切；兩個完全：完全可軟件編程的硬件加速平臺，完全由軟件編程決定業務邏輯；一個通用：足夠的通用性，滿足多場景、多用戶的需求，滿足業務的長期演進。

最后，要標準&開放。架構/接口標準、開放，持續演進；擁抱開源開放的生態；支持云原生、云網邊端融合；用戶無（硬件、框架等）平臺依賴。

編輯：黃飛

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