彻底释放运算能力　处理器迈向异质系统架构

    传统处理器架构受限GPU运算能力，故在硬体开发上有许多限制，而异质系统架构则可以让CPU、GPU和其他处理器协同运作于单一晶片与单一记忆体位址，并顺畅分配工作，让适合的单元处理特定任务，以提高效能并降低功耗。
行动运算(Mobile Computing)与云端运算(Cloud Computing)时代已然到来，次世代运算技术也正开始其革命性的转变，过去几年间，异质系统架构(Heterogeneous System Architecture, HSA)俨然成为趋势，并将成为现今的智慧联网装置的主导架构。

传统系统架构对软体创新有诸多限制，异质系统架构则正视软体开发者的需求，提供一个可贵的跨平台、跨作业系统方案，让各种应用程式开发者能更尽情开发各种软体，发展出高效能、低功耗且能顺应时代快速变迁的解决方案。 传统处理系统架构并非着重于绘图处理器(GPU)运算能力的完全释放，故在开发上有诸多限制。异质系统架构的目标则是使中央处理器(CPU)与GPU间如阴与阳般完美协同运作，让程式开发者能使用各种硬体，尽情地开发出高效能、低功耗且能顺应快速变动的使用者需求的解决方案。

异质系统架构加速软体开发进度

异质系统架构是指系统可让包含CPU、GPU在内的不同运算单元能在单一晶片上和谐运作，顺畅移动并分配工作，让适合的单元处理特定工作任务(图1)。

图1 异质系统架构示意图

异质系统架构聚焦软体开发者需求，设计跨平台装置以及通用的硬体平台。另外，异质系统架构的概念系期望打造一个单一架构规格并简化程式开发，协助软体开发业者进一步发挥现今GPU的绝佳优势，并透过搭载于异质性处理器内的平行运算引擎，彻底释放更佳的效能并提升用电效率。

基于异质系统架构的标准化异质性编程模式，让开发者在可负担的成本下更容易推动客制化的软体，并于现今达555亿美元且持续成长的异质性处理器(亦即混合式处理器)市场中获益。异质系统架构简化平行运算的软体开发，让软体工程师能尽情运用异质系统架构，开发其所需要的客制化产品。

业界厂商与异质系统架构基金会将协助开创软体创新的新时代，打造前所未有的使用者经验，提升云端资料管理、串流传输以及资料安全等。

CPU/GPU共享同一记忆体空间　hUMA标准解决处理器运算难题

异质运算系统架构结合CPU上的纯量处理和GPU上的平行处理能力，诉求系统中的CPU、GPU协同运作，为达此效率，GPU的系统记忆体存取方式已有了显著的改变。

传统处理器设计中，CPU和GPU各自独立运作，且各具独立的记忆体空间，让处理器有许多无效率及效能瓶颈的情形。

为解决CPU与GPU记忆体空间各自分立的运算问题，业界提出一项新技术--异质运算架构统一记忆体存取(heterogeneous Uniform Memory Access, hUMA)。

透过hUMA，CPU和GPU能共享并存取同一个记忆体空间，GPU亦可直接存取CPU的记忆体位址，如图2所示。

图2 hUMA运作示意图

hUMA架构可以让GPU完全存取CPU的记忆体位址，并且让CPU和GPU在记忆体空间上所读取的资讯保持一致。CPU只须移动指标(Pointer)将相关资讯传递到GPU，GPU便可以直接存取资料，毋须等待CPU将内容复制到GPU的记忆体，此举可以避免不必要的位址错置或功耗浪费。

hUMA带来的硬体一致性，包含以下三个主要功能：

．一致记忆体 

确保CPU和CPU快取记忆体可以同步看到的资料数据。

．分页记忆体

允许GPU顺畅的存取(还)没出现在实际记忆体(Physical Memory)中的虚拟记忆体位址。

．整体记忆体空间

CPU和GPU都可以存取并分配系统虚拟记忆体空间内的任何位置。

推广异质运算技术　HSA基金会诞生

异质系统架构基金会成立于2012年，为一个独立运作的非营利组织，对所有致力于新一代运算效能与能源效率的业者保持开放的态度，且欢迎具有前瞻性思维的半导体厂商、平台供应商、作业系统业者、装置制造商、独立软体厂商(ISV)、学者与开放原始码开发者共同参与，一同挑战整个标准系统架构，结合CPU、 GPU、数位讯号处理器(DSP)及其他加速器，带动运算基础更加进步，使异质性平行运算装置的程式开发大幅简化。

异质系统架构基金会正在透过免权利金详细计划书(Royalty Free Specifications)和开放源码软体来推动其计划。异质系统架构基金会的成员针对异质化运算推出性能强大的开发解决方案，利用开发工具、软体开发套件(SDK)、函式库、技术文件、培训，以及支援方案等资源，来推动创新内容与应用，扩大异质系统架构的影响范围。

目前的创始会员包括超微、安谋国际(ARM)、Imagination Technologies、联发科、德州仪器(TI)、三星(Samsung)与高通(Qualcomm)。其余异质系统架构基金会成员还有 Apical、Network-on-chip矽智财公司Arteris和Sonics、软体工具公司MulticoreWare、影像开发专业公司和图型与GPU计算科技公司Vivante，以及软体外包商新必优资讯(Symbio)。

看好HSA发展　厂商兴致勃勃 

异质系统架构基金会总裁暨超微全球院士Phil Rogers表示，异质系统架构带领业界走出沿用25年以上、对软体创新有诸多限制的传统系统架构。异质系统架构正视软体开发者的需求，设计一个通用的硬体平台，发展高效能且节能的解决方案。异质系统架构开创出全新的发展空间，含括个人电脑(PC)、智慧型手机、平板及超轻薄笔记型电脑 (Ultrabook)，以及创新的超级电脑与云端服务，这些方案构成现代运算经验的定义。

超微异质应用与开发解决方案部门全球副总裁Manju Hegde则指出，超微在1年多前率先宣布实践异质系统架构理想的蓝图，并着手将CPU与GPU融合为单一处理引擎，打造为一个全新的设计架构，大幅简化异质化平台的编程作业。

ARM院士暨媒体处理器部门技术副总裁Jem Davies表示，人们对于连结到数位世界的科技需求日益升高，而图形绘图介面则是打造优质使用经验一个不可或缺的关键因素，但往往会因此影响系统整体的电力表现。透过开放性产业标准，开发者可在不牺牲电力效率下，提供卓越的绘图表现。

另外，Imagination Technologies行销副总裁Tony King-Smith也表示，Imagination长期以来一直认为异质化处理架构是未来系统单晶片(SoC)设计能发挥其扩充性、弹性与效能的重要基础。结合CPU与功能日益强大的整合绘图晶片，加上符合各种业界标准的应用程式介面(API)，包括OpenCL、Renderscript Compute与Direct Compute，将是迈向目标的步。

HSA架构APU下半年现身

超微正以其开发加速处理器(APU)的专业经验，结合异质运算架构标准，为客户打造出更高效能、更低功耗的处理器。超微将于2013年下半年推出款基于异质系统架构产品，代号为Kaveri的APU。

日前，超微也发表代号为柏林(Berlin)的伺服器APU，期望能提供卓越的每瓦运算效能，并造就高运算密度，柏林预定在2014年季问世。

hUMA智慧运算架构前景看俏

异质系统架构被预期将为未来处理器设计的样貌带来巨大冲击，因为异质系统架构，GPU和CPU成为系统中平等的要素和参与者。

CPU不论现在和未来都将是串列工作的处理单元，这表示现今很多应用程式使用延迟敏感(Latency Sensitive)的记忆体运算，而这些程式工作负载的设计有着串列和纯量的分别，且其程式码有着相当多的分支。另一种程式码则是尽可能地进行平行运算，此种程式码有着数以万计、甚至是数以千万计重复的资料运算动作，而GPU极为适合此类运算。

透过hUMA带来的智慧运算架构，将可顺畅地分配相应的工作任务至适合的处理单元，使CPU、GPU和其他处理器协同运作于单一晶片和单一记忆体位址上，且顺畅移动并分配工作，让适合的单元来处理特定工作任务。