IT運(yùn)維 | 異構(gòu)計(jì)算簡介

2020-05-12 17:50 作者：艾銻無限 瀏覽量：

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隨著人工智能的發(fā)展，越來越多的計(jì)算平臺都采用了異構(gòu)計(jì)算。作為IT運(yùn)維必須要了解這種運(yùn)算架構(gòu)，以便更好的服務(wù)我們的客戶。異構(gòu)計(jì)算主要是指使用不同類型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元組成系統(tǒng)的計(jì)算方式。異構(gòu)計(jì)算已經(jīng)無處不在，從超算系統(tǒng)到桌面到云到終端，都包含不同類型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元，下面先從幾個(gè)系統(tǒng)了解下異構(gòu)計(jì)算超算系統(tǒng)。


天河-2：包括16,000個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn) 2*Xeon (IveBridge)+3*Phi。Total 3,120,000 Core， Linpack測試基準(zhǔn)為33.86 petaFLOPS ，Power 17.6 megawatts。編程框架：OpenMC/OpeMP。

Mac Pro: Intel Xeon E5 (6/8/2 cores) + Dual AMD FirePro D500 GPU (1526 stream processors, 2.2 teraflops, 3-way 4k video)。編程框架：CUDA、OpenCL、Metal。 

Amazon Linux GPU Instances g2.8xlarge: 4 GPU (each with 1,536 CUDA cores and 4 GB of video memory and the ability to 4* 1080p@30fps), 32 vCPU 。編程框架：CUDA，OpenCL。

Qualcomm Snapdragon 820 ： octa-core CPU+ Adreno 530 GPU+ Hexagon 680 DSP，編程框架：MARE，OpenCL。

顯然，異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)包含了不同異構(gòu)計(jì)算單元，如CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA等。除了異構(gòu)硬件單元，不同異構(gòu)計(jì)算平臺采用的編程框架也不盡相同。那么，為什么要用異構(gòu)計(jì)算？異構(gòu)計(jì)算優(yōu)勢主要提現(xiàn)在性能、性價(jià)比、功耗、面積等指標(biāo)上，在特定場景，異構(gòu)計(jì)算往往會表現(xiàn)出驚人的計(jì)算優(yōu)勢。

· Google Brain：1,000臺服務(wù)器 (16,000 CPU核) 模擬simulating a model of the brain with a billion synapses.

· Nvidia：three GPU-accelerated servers: 12 GPUs in total, 18,432 CUDA processor cores.

The Nvidia solution uses 100 times less energy, and a 100 times less cost.

除OpenCL之外，還有很多編程框架？異構(gòu)并行計(jì)算框架是充分發(fā)揮異構(gòu)硬件性能和屏蔽硬件差異的關(guān)鍵，但目前業(yè)界不存在一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。OpenCL是業(yè)界主流公司推動的異構(gòu)并行計(jì)算編程標(biāo)準(zhǔn)。OpenCL屬于性能層，業(yè)界很多產(chǎn)能層框架對接OpenCL。

· Intel、ARM、高通的異構(gòu)硬件均支持OpenCL軟件設(shè)計(jì)。

· Intel Xeon+FPGA異構(gòu)芯片支持OpenCL。

Nvidia CUDA、Apple Metal是針對各自異構(gòu)硬件設(shè)計(jì)的計(jì)算私有框架，是封閉系統(tǒng)，但都有廣泛的開發(fā)者支持。CUDA和OpenCL在設(shè)計(jì)理念上非常相近，但Nvidia GPU性能業(yè)界最強(qiáng)，有能力通過CUDA綁定用戶，比如深度學(xué)習(xí)上Nvidia GPU效果最好，開發(fā)者只能選擇CUDA。異構(gòu)硬件的一個(gè)趨勢是SOC上集成多種異構(gòu)硬件。比如高通820芯片集成了ARM64+GPU+DSP等多種形態(tài)。

· 但傳統(tǒng)的計(jì)算框架只針對一種硬件設(shè)計(jì)，無法支持多形態(tài)。

· 高通設(shè)計(jì)了Symphony異構(gòu)并行計(jì)算框架來發(fā)揮多形態(tài)異構(gòu)硬件性能，同時(shí)適應(yīng)未來芯片的演進(jìn)。

OpenCL異構(gòu)編程技術(shù)得到各大廠家的大力支持，可屏蔽異構(gòu)硬件與OS差異，簡化異構(gòu)核編程復(fù)雜度，OpenCL由蘋果提出，得到業(yè)界大多數(shù)廠商的支持：如Nvidia、Apple、AMD、ARM、INTEL、TI等等，支撐GPGPU、DSP、FPGA等通用硬件加速器。

· 優(yōu)勢：OpenCL是針對GPGPU大規(guī)模數(shù)據(jù)并行的特性所開發(fā)的底層編程框架，屏蔽各廠商GPU之間的差異，與芯片設(shè)計(jì)協(xié)同演進(jìn)，C語言的擴(kuò)展。

· 不足：性能的可移植性不足。


OpenCL編程模型中隱含了很多的硬件特征，比如并行粒度、內(nèi)存模型、存儲層次、資源粒度、內(nèi)存帶寬和延遲、ISA差異等，這導(dǎo)致不同的加速器上的OpenCL代碼都要重新思考上述特征。隨著FPGA的廣泛使用，成本逐步降低，作為軟件定義實(shí)現(xiàn)快速在線指令優(yōu)化，對整個(gè)編譯器、運(yùn)行框架、

OS產(chǎn)生巨大影響。新架構(gòu)對軟件的挑戰(zhàn)：

· 1）支持CPU+FPGA融合并行的計(jì)算框架，包括FPGA編譯和高層語言設(shè)計(jì)。

· 2）大規(guī)模分布式FPGA資源管理與調(diào)度

· 3）高性能FPGA算法庫。

異構(gòu)計(jì)算主要是指使用不同類型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元組成系統(tǒng)的計(jì)算方式。常見的計(jì)算單元類別包括CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA等。FPGA和GPU/CPU對比具有以下不同：

· 1.軟件定義的硬件架構(gòu)：GPU/CPU硬件固定，其并行性設(shè)計(jì)是適應(yīng)固定硬件。而FPGA的硬件邏輯可以通過軟件動態(tài)改變，從硬件的角度來適配軟件，從而獲得更高的計(jì)算性能。

· 2.更高并行性、能效比：FPGA擁有更豐富的計(jì)算資源組件，從而能夠滿足更多并行計(jì)算需求。并且能夠充分發(fā)掘軟件算法中的并行性，降低功耗。

同時(shí)，新架構(gòu)融合CPU+FPGA，將成為一種發(fā)展趨勢：

· 1. 異構(gòu)核首次作為一等公民：通過CPU+FPGA的融合設(shè)計(jì)，由主機(jī)+外設(shè)的Offloading模式轉(zhuǎn)變?yōu)楫悩?gòu)多核片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，CPU與FPGA地位等同，通信方式由板級轉(zhuǎn)向片內(nèi)。

·  2. OpenCL帶來了FPGA的編程革命：提高了FPGA的可編程性，將程序員從復(fù)雜的硬件電路設(shè)計(jì)中解救出來，更專注于系統(tǒng)/算法的設(shè)計(jì)。



總結(jié)：CPU主要是做通用控制以及計(jì)算的，整個(gè)算術(shù)邏輯單元ALU占整個(gè)芯片面積不到5%。CPU里面包含很多控制邏輯，預(yù)測，Cache等邏輯，所以算力不高，但是什么都能做。

· CPU主要特點(diǎn)：主頻高，但核數(shù)有限；邏輯控制和算術(shù)運(yùn)算單元、具有大量緩存，主要功能在于管理和調(diào)度任務(wù)。

GPU專門用來做浮點(diǎn)運(yùn)算，只能作為協(xié)處理器配合CPU完成特定計(jì)算。但GPU天然假設(shè)所有運(yùn)算可以并行(GPU具有數(shù)千個(gè)計(jì)算核)，整個(gè)芯片90%都是運(yùn)算邏輯。所以算力非常高，通常是CPU的幾十上百倍。

· GPU特點(diǎn)：高并發(fā)(幾千個(gè)核并)，強(qiáng)浮點(diǎn)能力和高顯存帶寬。

FPGA主頻低但集成大量計(jì)算單元，流水線并行和數(shù)據(jù)并行，具備硬件編程和加速和特定應(yīng)用IP核。然而，ASIC是針對某一場景優(yōu)化的專用處理單元，硬件基本不可編程，采用多個(gè)IP集成，但有高性價(jià)比和能效比。
 
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