異構(gòu)集成的三個層次
2020-02-21 12:33:48 nextplatform 編譯：gpuworld、EETOP在1月22日于加州圣何塞舉行的下一次FPGA平臺活動上，英特爾 PSG CTO的Jose Alvarez概述了異構(gòu)集成的三個層次。這是一個簡單的分類。首先，在芯片級(設(shè)備級)存在異構(gòu)集成。其次，在系統(tǒng)級別存在異構(gòu)集成。第三，軟件層面的異質(zhì)性。所有三個層次的異質(zhì)性導(dǎo)致了系統(tǒng)的可重構(gòu)性。
第一層 芯片異構(gòu)
芯片級別的異構(gòu)性是設(shè)備包內(nèi)部的異構(gòu)集成，與芯片概念密切相關(guān)。我們正在建造更復(fù)雜的系統(tǒng)，更大的系統(tǒng)，用大的，單片半導(dǎo)體建造更大的系統(tǒng)是很困難的。大模的產(chǎn)量不如小模或小片的好。用更小的部件來建造這些系統(tǒng)更實(shí)用，更經(jīng)濟(jì)。從系統(tǒng)的角度來看，我們可以使用晶片來做出更好的半導(dǎo)體設(shè)計決策，因為我們不必重新設(shè)計從一個半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)到下一個的每個晶片。有些函數(shù)在其現(xiàn)有形式下工作得非常好。當(dāng)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上線時，沒有理由重新設(shè)計這些功能。
異構(gòu)集成已經(jīng)在生產(chǎn)中。這是一項非常重要的技術(shù)，英特爾致力于基于芯片的設(shè)計策略。例如，Intel®layx®10 FPGAs和Intel®Agilex™FPGAs是基于異構(gòu)集成的，這些設(shè)備目前正在生產(chǎn)中。事實(shí)上，Intel的statix 10 FPGAs已經(jīng)批量生產(chǎn)很多年了。
基于芯片的集成電路設(shè)計和制造允許英特爾構(gòu)建具有硅證明功能的系統(tǒng)，包括高速串行收發(fā)器、內(nèi)存接口、以太網(wǎng)和PCIe端口等。基于芯片的設(shè)計還允許Intel針對不同的工作負(fù)載開發(fā)目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，并使其更快地推向市場。
基于這些原因，英特爾正積極鼓勵開發(fā)基于chiplets的行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。我們有好幾種方法。例如:
無巧不成書的是，英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)在1965年發(fā)表了一篇題為《在集成電路中填入更多元件》的論文。“那是一篇很短的論文;只有四頁，包括圖片，它變得非常出名。這篇著名論文的第二頁有一段后來被稱為摩爾定律的陳述:
“最低零部件成本的復(fù)雜性以每年大約兩倍的速度增加。當(dāng)然，在短期內(nèi)，這一比率即使不會上升，也會持續(xù)下去。從長期來看，增長率的不確定性更大一些，盡管沒有理由相信它至少在10年內(nèi)不會保持接近不變。”
摩爾的聲明預(yù)測了半導(dǎo)體技術(shù)的指數(shù)增長，這種增長現(xiàn)在已經(jīng)持續(xù)了50多年，而不是10年!Moore論文的第三頁繼續(xù)提到，也許，使用集成到單個包中的較小組件來構(gòu)建更大的系統(tǒng)會更好:
“事實(shí)可能會證明，用較小的功能構(gòu)建大型系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)，這些功能是分開封裝和相互連接的。”大型功能的可用性，再加上功能設(shè)計和構(gòu)造，應(yīng)使大型系統(tǒng)制造商能夠迅速和經(jīng)濟(jì)地設(shè)計和構(gòu)造各種各樣的設(shè)備。”
早在1965年，戈登·摩爾就知道芯片級別的異構(gòu)集成將是一種前進(jìn)的方式。這就是英特爾今天所做的:使用先進(jìn)的封裝技術(shù)，將公司的所有技術(shù)集成到一個集成電路中。
第二個層次 系統(tǒng)異構(gòu)
第二個異構(gòu)集成級別是在系統(tǒng)級。我們生活在一個以數(shù)據(jù)為中心的世界。到處都是數(shù)據(jù)。英特爾在系統(tǒng)層面進(jìn)行了大量創(chuàng)新，以應(yīng)對海量數(shù)據(jù)。需要對這些數(shù)據(jù)做很多事情:移動它、存儲它、處理它。與這些任務(wù)相關(guān)的工作負(fù)載需要許多解決方案，Intel開發(fā)并制造了大量的設(shè)備來執(zhí)行這些任務(wù)——cpu、gpu、asic、fpga——我們使用它們來構(gòu)建異構(gòu)系統(tǒng)。
這些不同的工作負(fù)載需要不同的處理架構(gòu)。標(biāo)量工作負(fù)載在cpu上運(yùn)行良好。向量工作負(fù)載在gpu上運(yùn)行良好。包括人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在內(nèi)的矩陣工作負(fù)載通常在特定于工作負(fù)載的asic上運(yùn)行得最好。最后，最好在FPGA上運(yùn)行空間工作負(fù)載。因此，讓所有這些異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)都可用來為數(shù)據(jù)中心中的特定工作負(fù)載提供正確的體系結(jié)構(gòu)非常重要。將cpu、gpu、fpga和專門的加速器結(jié)合在一起，可以讓Intel和它的客戶聰明而高效地解決問題。
第三個層次 軟件同質(zhì)化
第三種異構(gòu)集成是在軟件級別。這個很難。英特爾的方法被稱為oneAPI計劃，這是一個跨行業(yè)的、開放的、基于標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一編程模型，它解決了我們今天構(gòu)建軟件的基本方式，類似于烹飪。在廚房里，你不會問廚師他們是否有一種特定的“制作”食物的方法。他們有許許多多使用工具的方法，選擇食材，準(zhǔn)備食物，創(chuàng)造出無限豐富的食物。
類似地，我認(rèn)為我們將來會繼續(xù)使用大量的編程和描述語言。開發(fā)人員看重的是一個單一的、統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境。這正是英特爾通過oneAPI計劃所追求的。這是視覺。這種設(shè)想解決了前面提到的四種工作負(fù)載類型:標(biāo)量、向量、矩陣和空間。oneAPI計劃提供了一個抽象級別，因此，原則上，軟件開發(fā)人員可以在一個層中開發(fā)代碼，然后將該代碼部署到上面提到的許多處理體系結(jié)構(gòu)中。
今天，這只是一個開始。英特爾幾周前剛剛宣布了開源oneAPI項目，同時發(fā)布了測試版產(chǎn)品Intel®oneAPI工具包。我們期待英特爾oneAPI工具包的開發(fā)將是一個漫長的過程，我們絕對理解我們正在進(jìn)行的旅程。
今天，我們有數(shù)據(jù)并行c++和用于Intel oneAPI工具包的庫。數(shù)據(jù)并行c++集成了來自Khronos組的SYCL，支持?jǐn)?shù)據(jù)并行和異構(gòu)編程。Data Parallel c++允許開發(fā)人員基于熟悉的c++結(jié)構(gòu)，使用“單源代碼”風(fēng)格為異構(gòu)處理器編寫代碼。
三種異構(gòu)共存
在英特爾，我們知道這三個層次的異構(gòu)性對整個行業(yè)非常重要。這就是為什么我們在芯片級別關(guān)注高級封裝技術(shù)，在系統(tǒng)級別關(guān)注多個處理架構(gòu)，在軟件級別關(guān)注oneAPI和Intel oneAPI統(tǒng)一編程環(huán)境以及數(shù)據(jù)并行c++編程語言。英特爾認(rèn)為，在新興市場——例如機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和5G——需要在快速變化的接口和工作負(fù)載方面具有靈活性的地方，半導(dǎo)體是一個連續(xù)體。FPGA在這些市場的早期階段發(fā)揮了作用，因為它們具有極大的靈活性。
隨著這些市場的增長，為這些市場開發(fā)系統(tǒng)的公司通常會開發(fā)定制的asic。英特爾通過Intel®eASIC®結(jié)構(gòu)化asic和全定制asic服務(wù)于這些市場，提供更低的功耗和更好的性能。隨著市場的成熟和生產(chǎn)量的增長，Intel的開發(fā)流程允許從FPGA到與pin兼容的Intel eASIC設(shè)備的平穩(wěn)發(fā)展，并最終進(jìn)入ASIC。
Intel eASIC設(shè)備在數(shù)據(jù)中心也能很好地工作，因為有特定工作負(fù)載的多個應(yīng)用程序需要加速。利用FPGA實(shí)現(xiàn)的加速器設(shè)計可以成為基于Intel eASIC技術(shù)的芯片。與FPGA相比，該芯片速度更快，功耗更低，并且可以使用AIB或其他互連方法與其他設(shè)備集成到一個包中。
可編程解決方案組副總裁兼FPGA生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)營總經(jīng)理Lakecia Gunter說，所有這些都為FPGA擴(kuò)展奠定了更廣闊的基礎(chǔ)。
“數(shù)據(jù)中心的FPGA加速的未來不僅僅是FPGA硬件供應(yīng)商或云服務(wù)提供商的故事，而是一個生態(tài)系統(tǒng)的故事，”她說。
在Gunter看來，“生態(tài)系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)中心FPGA的增長和采用至關(guān)重要。英特爾著手建立一個多樣化的生態(tài)系統(tǒng)，包括商業(yè)伙伴、開發(fā)者、研究和學(xué)術(shù)界，以及大大小小的ISV，以加速創(chuàng)新。該網(wǎng)絡(luò)允許合作伙伴在FPGA上優(yōu)化他們的軟件，同時與英特爾的專家和關(guān)鍵渠道合作伙伴合作，在市場上大規(guī)模交付解決方案。向渠道合作伙伴、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界，以及英特爾自己的專家學(xué)習(xí)。”
作為這一過程的下一步，我們啟動了FPGA合作伙伴計劃，使我們的合作伙伴社區(qū)能夠利用英特爾提供的所有資源——技術(shù)培訓(xùn)、產(chǎn)品開發(fā)、聯(lián)合營銷、聯(lián)合GTM和銷售，以及其他獎勵和獎勵。此外，oneAPI和現(xiàn)有的FPGA開發(fā)人員云將使我們能夠在FPGA上創(chuàng)建一個廣泛的開發(fā)人員生態(tài)系統(tǒng)。對于像Intel這樣的FPGA供應(yīng)商來說，開發(fā)人員和通道合作伙伴是至關(guān)重要的，因為他們能夠?qū)⑼黄菩缘慕鉀Q方案引入到現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施中。"
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