Kalray 基于MPPA解決方案實(shí)現(xiàn)單芯片超算

超級(jí)計(jì)算，對(duì)很多人來(lái)說(shuō)并不陌生但仿佛又離得很遠(yuǎn)，或許大家對(duì)它的了解也僅僅限于“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)。其實(shí)，隨著越來(lái)越多的應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理提出極高的要求，超級(jí)計(jì)算正在越來(lái)越多地出現(xiàn)在與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。尤其是近些年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等IT新概念和新技術(shù)的出現(xiàn)，以及先進(jìn)無(wú)損音視頻處理和自動(dòng)駕駛設(shè)備等嵌入式高性能計(jì)算的興起，使很多原有應(yīng)用迎來(lái)了突破性進(jìn)展，并促使很多新的IT應(yīng)用模式出現(xiàn)。而在這些應(yīng)用背后，許多廠商正在全力實(shí)現(xiàn)的“嵌入式”實(shí)時(shí)超級(jí)計(jì)算解決方案，可以提供芯片級(jí)的高性能數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力。為此，北京華興萬(wàn)邦管理咨詢有限公司走訪了業(yè)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)單芯片超算（Supercomputing on a Chip）商用的法國(guó)Kalray公司，為大家一探“片上超算”給行業(yè)帶來(lái)的新機(jī)會(huì)。

面向超級(jí)計(jì)算的多核處理器

為了完成普通PC或服務(wù)器無(wú)法完成的大量、復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)要求擁有為數(shù)眾多的處理器。然而，隨著對(duì)運(yùn)算速度越來(lái)越高的追求，單核處理器已經(jīng)無(wú)法滿足超級(jí)計(jì)算的要求，因?yàn)闊o(wú)休止地增加單核處理器的數(shù)量不但會(huì)造成成本和功耗的大量增加，而且性能也無(wú)法呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)。于是，多核技術(shù)開始被大量應(yīng)用于超級(jí)計(jì)算當(dāng)中。以中國(guó)的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)為例，其使用的主處理器和協(xié)處理器目前均為Intel公司的多核處理器。

目前，市場(chǎng)上研發(fā)并供應(yīng)多核處理器芯片的廠商為數(shù)眾多，以Intel和AMD兩大處理器廠商為首，不同的多核處理器所面向的應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同。除了面向PC應(yīng)用的2核、4核處理器和面向手機(jī)和平板電腦的4核、8核處理器外，一些供應(yīng)商推出的8核、16核處理器也已實(shí)現(xiàn)全面的商用，例如XMOS公司的xCORE系列多核處理器已被高解析度音頻、千兆網(wǎng)速物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中的產(chǎn)品、解決方案所采用，該公司全新的xCORE-200多核微控制器通過(guò)在單一器件上集成16個(gè)或更多高性能32位RISC處理器內(nèi)核，成為了高性能用戶、專業(yè)音頻與新興千兆網(wǎng)速物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的完美可編程平臺(tái)。

在眾多的多核處理器供應(yīng)商中，有一家面向超級(jí)計(jì)算相關(guān)應(yīng)用的廠商正在越來(lái)越多地引起業(yè)界的關(guān)注，這就是全球首家可以提供256核以上處理器芯片的廠商——法國(guó)公司Kalray。Kalray公司是在單芯片上實(shí)現(xiàn)超級(jí)計(jì)算（Supercomputing on a Chip）的發(fā)明者，其大規(guī)模并行處理器陣列芯片MPPA（Massively Parallel Processor Array）處理器采用臺(tái)積電（TSMC）的28nm工藝制程，擁有超過(guò)256個(gè)可以進(jìn)行C/C++編程的內(nèi)核。該公司的單芯片超算解決方案可以為兩大類應(yīng)用提供高性能、低功耗和實(shí)時(shí)等特性，一類是在數(shù)據(jù)中心、視頻處理等應(yīng)用中卸載主處理器的任務(wù)，另一類是需要較大量數(shù)據(jù)處理、高實(shí)時(shí)性和低功耗的嵌入式應(yīng)用。下面為您具體介紹該公司的解決方案及其商業(yè)應(yīng)用。

Kalray公司的256核MPPA處理器芯片

低功耗256核處理器芯片和標(biāo)準(zhǔn)C/C++編程環(huán)境

Kalray公司是一家成立于2008年的無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體公司，它是開發(fā)多核處理器解決方案的先鋒廠商。該公司創(chuàng)新的MPPA架構(gòu)獨(dú)一無(wú)二地提供單芯片超算解決方案，其可以為視頻、網(wǎng)絡(luò)、電信、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的云計(jì)算應(yīng)用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)加速，還可以為航空航天、國(guó)防、汽車等領(lǐng)域的嵌入式應(yīng)用提供嵌入式高性能運(yùn)算能力。Kalray公司的總部位于法國(guó)，包括位于巴黎和歐洲硅谷格勒諾布爾市（Grenoble）兩個(gè)地點(diǎn)的辦公室，此外，其在美國(guó)加州和日本東京還設(shè)有分公司。

Kalray公司的完整解決方案包括MPPA系列多核處理器、PCIe Gen3加速卡、提供網(wǎng)絡(luò)加速支持的開源網(wǎng)絡(luò)接口卡（Open NIC），以及軟件開發(fā)工具包。該解決方案可以提供行業(yè)領(lǐng)先的低計(jì)算功耗，具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性和低延遲性，以及獨(dú)一無(wú)二的處理擴(kuò)展性和系統(tǒng)密度，可以在同一塊片芯上實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)的應(yīng)用，同時(shí)擁有很好的可編程性（包括標(biāo)準(zhǔn)C/C++和OpenCL）。

MPPA多核處理器包括Andey MPPA和Bostan MPPA兩款產(chǎn)品。其中Andey為第一代MPPA處理器，已于2013年第1季度開始供貨。它擁有超過(guò)256個(gè)可以進(jìn)行32位超長(zhǎng)指令字C/C++編程的內(nèi)核，單精度浮點(diǎn)運(yùn)算速度可以達(dá)到210 GFLOPS（每秒十億次浮點(diǎn)運(yùn)算），雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算速度可達(dá)70 GFLOPS，運(yùn)算速度可達(dá)0.7 TOPS（每秒萬(wàn)億次運(yùn)算）。該處理器擁有兩塊帶寬為12.8GB/s的64位DDR3內(nèi)存，以及兩個(gè)由DMA支持的PCIe Gen3×8接口。Bostan為該公司即將推出的第二代MPPA處理器，目前已完成流片及樣片的封裝，將于2015年第4季度向先期客戶供貨。它的單精度浮點(diǎn)運(yùn)算速度可以達(dá)到840 GFLOPS，雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算速度可達(dá)420 GFLOPS，運(yùn)算速度可達(dá)1.4 TOPS，其他性能相比Andey MPPA有較大幅度的提升。

MPPA多核處理器采用Kalray獨(dú)一無(wú)二的架構(gòu)設(shè)計(jì)。每個(gè)處理器芯片擁有4個(gè)四核主CPU和 16個(gè)計(jì)算集群，每個(gè)計(jì)算集群中又包括16個(gè)用戶核和1個(gè)系統(tǒng)核，每個(gè)用戶核則采用Kalray擁有專利的超長(zhǎng)指令字架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，其片上的DDR存儲(chǔ)器和以太網(wǎng)及PCIe接口模塊支持了數(shù)據(jù)的低延遲處理，并使芯片的整體功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通用的多芯片組功耗，Andey MPPA處理器的典型功耗為12W，Bostan MPPA處理器的功耗為11W-30W。

Kalray MPPA解決方案實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的低功耗、實(shí)時(shí)單芯片超算