美國(guó)時(shí)間5月16日，英特爾2019開源技術(shù)峰會(huì)(OSTS)在華盛頓州Stevenson圓滿結(jié)束。大會(huì)從14日開始，共持續(xù)3天。在今年的開源技術(shù)峰會(huì)上，英特爾公司高級(jí)副總裁兼架構(gòu)、圖形與軟件部門總經(jīng)理Raja Koduri發(fā)表“指數(shù)級(jí)思維”的演講報(bào)告。他提出，如果想實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，必須要硬件和軟件共同創(chuàng)新。軟件社區(qū)和硬件社區(qū)相互交流，并真正去思考彼此的問題，比以往任何時(shí)候都更重要。

1000億設(shè)備互通的下一個(gè)時(shí)代 軟硬件如何結(jié)合

過去幾年間大家所能獲得的計(jì)算力正在以驚人的速率增長(zhǎng)。計(jì)算力指數(shù)級(jí)上升的實(shí)現(xiàn)，正是基于硬件與軟件的結(jié)合(Contract)。

回顧過去35到40年間計(jì)算的發(fā)展歷程，計(jì)算力的增長(zhǎng)速率呈指數(shù)級(jí)上升，從萬物數(shù)字化、萬物互聯(lián)、萬物移動(dòng)化到萬物云化，當(dāng)前進(jìn)入萬物智能化。然而，Raja指出：“萬物智能化不單是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，因?yàn)楹芏嘣缙诘腎oT設(shè)備并沒有那么智能，真正的萬物智能化是能夠真正幫助我們的智能設(shè)備。”

在PC時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)用戶增長(zhǎng)了10億人。硬件和軟件結(jié)合的典型例子就是PC上X86架構(gòu)和Windows系統(tǒng)的結(jié)合。

進(jìn)入移動(dòng)化時(shí)代，從10億的互聯(lián)網(wǎng)用戶增長(zhǎng)到100億的設(shè)備，呈現(xiàn)10倍的增長(zhǎng)，這些是硬件軟件的結(jié)合發(fā)生了變化。變成了ARM架構(gòu)和iOS及Android操作系統(tǒng)，同時(shí)Linux系統(tǒng)和X86平臺(tái)也占據(jù)一部分市場(chǎng)。

當(dāng)前，大家開始談?wù)?000億臺(tái)設(shè)備相互交流的下一個(gè)時(shí)代。Raja表示，無論是硬件、軟件、操作系統(tǒng)還是相關(guān)技術(shù)，需要思考的一個(gè)問題是硬件和軟件如何結(jié)合。什么可以替代Linux和X86，ARM和iOS、安卓，或者X86和Windows，支持這1000億臺(tái)設(shè)備呢?

除了密度之外，還有哪些創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)

這種指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，與摩爾定律息息相關(guān)。摩爾定律是計(jì)算機(jī)革命的脈搏，現(xiàn)在關(guān)于摩爾定律有很多聲音：將何去何從、摩爾定律已死等等。

摩爾定律描述的四個(gè)重要特征：晶體管密度、單價(jià)性能、每瓦性能、頻率。

摩爾定律的發(fā)展大致分為三個(gè)時(shí)期：第一個(gè)時(shí)代是被稱為黃金時(shí)期的兆赫時(shí)代，晶體管密度、單位性能和每瓦性能上都實(shí)現(xiàn)了極大提升，頻率也在每?jī)赡甏蠓嵘淮巍５诙€(gè)是多核時(shí)代，這期間晶體管密度繼續(xù)增加，但是單位性能下滑了，每瓦性能從平均1.7倍降到1.3倍，頻率也有所放緩。下一個(gè)時(shí)代是架構(gòu)時(shí)代，內(nèi)核會(huì)進(jìn)一步扁平化，密度稍微低一些，但整體還是會(huì)像摩爾定律所說的每?jī)赡晏嵘淮巍Ｃ客咝阅軙?huì)低一點(diǎn)，頻率會(huì)低一點(diǎn)。

“如果想實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，那就必須要硬件和軟件來共同創(chuàng)新。軟件社區(qū)和硬件社區(qū)相互交流，并真正去思考彼此的問題，這比以往任何時(shí)候都更重要。” Raja強(qiáng)調(diào)，“不僅僅是實(shí)現(xiàn)晶體管的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。除了密度之外，還有哪些創(chuàng)新，來實(shí)現(xiàn)用戶價(jià)值的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)呢?”

對(duì)此，Raja提到英特爾的最新策略：“英特爾將提供多樣化的標(biāo)量、矢量、矩陣和空間架構(gòu)組合，以先進(jìn)制程技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由顛覆性內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)提供支持，通過先進(jìn)封裝集成到系統(tǒng)中，使用光速互連進(jìn)行超大規(guī)模部署，提供統(tǒng)一的軟件開發(fā)接口以及安全功能。”Raja也表示，這里的英特爾其實(shí)適用于整個(gè)科技界。

同時(shí)，英特爾推出了六大技術(shù)支柱——軟件、安全、互聯(lián)、內(nèi)存/存儲(chǔ)、架構(gòu)、制程/封裝，圍繞這六大技術(shù)支柱制定了技術(shù)和架構(gòu)的路線圖。

在制程方面，是晶體管、封裝和設(shè)計(jì)的同步的聯(lián)合架構(gòu)優(yōu)化，這三者需要緊密地結(jié)合在一起來推動(dòng)摩爾定律繼續(xù)發(fā)展。對(duì)于硬件領(lǐng)域的人來說，如果對(duì)比性能、功率和成本這三個(gè)方面，沒有單個(gè)的芯片類型可以成為所有工作負(fù)載的最優(yōu)解。對(duì)桌面CPU來說，最好的是能將頻率提高到5GHz或以上的高性能CPU，但它對(duì)顯卡、AI芯片或者FPGA、移動(dòng)芯片來說卻并不好，這就是問題關(guān)鍵所在。對(duì)此，英特爾制定的路線圖是：用先進(jìn)技術(shù)把不同的小芯片，甚至是不同的核連接起來。這樣能讓單片SOC實(shí)現(xiàn)性能、功耗和成本的最佳組合。

在封裝方面，英特爾也制定了技術(shù)路線圖。標(biāo)準(zhǔn)封裝的接點(diǎn)間隔大約是110微米，然后到嵌入式多芯片互連橋接2D封裝(EMIB)技術(shù)，它的接點(diǎn)間隔就是前者的一半，這樣在二維中就可以得到更大的帶寬，功耗也更低，能下降近1/5。

Foveros 3D封裝技術(shù)，將是下一個(gè)技術(shù)飛躍。此外，就是為解決晶體管密度問題而開發(fā)的工具，從而在一個(gè)封裝上構(gòu)建完整的系統(tǒng)，集合不同速度的晶體管和IO芯片、互連等等。

“在制程和封裝技術(shù)上，有密度的提升，有Foveros技術(shù)進(jìn)步。進(jìn)而利用先進(jìn)的封裝技術(shù)為每個(gè)工作負(fù)載都提供相應(yīng)最優(yōu)的芯片。”Raja講道。

此外，在接下來的10年中，將會(huì)看到比過去50年中多得多的架構(gòu)提升。

在架構(gòu)方面，工作負(fù)載有多種。比如，看起來像標(biāo)量計(jì)算的計(jì)算，像向量計(jì)算的計(jì)算，像矩陣計(jì)算的新型卷積計(jì)算，以及FPGA代表的空間架構(gòu)。不同的工作負(fù)載好像是一片土地上的不同地區(qū)，中間被深溝隔開。“在接下來5-10年中，最重要的現(xiàn)代工作負(fù)載，就是這種標(biāo)量、矢量、矩陣和空間架構(gòu)的組合。”Raja強(qiáng)調(diào)。

對(duì)于每個(gè)架構(gòu)而言，性能和通用性都很重要。CPU是最通用的，雖然可能不是其中性能最好的。GPU在性能模型上有些創(chuàng)新，但不像CPU那么通用，但是GPU對(duì)于高強(qiáng)度工作負(fù)載的性能更好。FPGA加速器效率要高得多，但并不通用。Raja指出：“真正需要關(guān)注的是性能和通用性的不同搭配組合。”

對(duì)此，英特爾的愿景和路線圖是，提供標(biāo)量、矢量、矩陣和空間的多種架構(gòu)組合，部署在CPC、GPU、FPGA和加速器套件之中。

在內(nèi)存和存儲(chǔ)方面，當(dāng)前需要指數(shù)級(jí)和先進(jìn)的內(nèi)存層級(jí)架構(gòu)，以滿足當(dāng)前的計(jì)算需求。當(dāng)內(nèi)存容量以指數(shù)級(jí)速率增加時(shí)，內(nèi)存的帶寬卻呈次線性增長(zhǎng)。內(nèi)存層級(jí)架構(gòu)上，從高速緩存到硬盤，每個(gè)級(jí)別都應(yīng)該是10倍的提升。對(duì)此，英特爾也在開發(fā)封裝內(nèi)存、持久內(nèi)存和3D NAND等技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)10倍的提升。現(xiàn)在是否能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，取決于設(shè)定在硬件和軟件邊界的哪一邊。如果不改變相應(yīng)的軟件架構(gòu)，這些內(nèi)存層級(jí)架構(gòu)的10倍提升都無法轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工作負(fù)載提升。

下一個(gè)技術(shù)支柱是互連，包括片上互連、芯片間互連、系統(tǒng)級(jí)互連和數(shù)據(jù)中心級(jí)互連。每個(gè)層級(jí)的互連都在創(chuàng)新。英特爾從片上、封裝內(nèi)互連、處理器間互連、數(shù)據(jù)中心互連到無線互連等各方面都有投入。同時(shí)，還開放了Compute Express Link(CXL)規(guī)范。Raja表示，這是英特爾的一項(xiàng)重大創(chuàng)舉。

在安全方面，未來10年內(nèi)任何成功的新架構(gòu)都應(yīng)將安全作為其基礎(chǔ)和優(yōu)先特性。安全的挑戰(zhàn)源于外露面的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。6個(gè)內(nèi)存層級(jí)架構(gòu)，4個(gè)互連層級(jí)架構(gòu)和數(shù)10億個(gè)設(shè)備。在這其中，如果架構(gòu)的每個(gè)部分都有1個(gè)指數(shù)級(jí)的外露面，那么需要保護(hù)4*6*4個(gè)面，即96的面。在業(yè)內(nèi)，外露面仍然存在問題。每次向CPU添加新指令時(shí)，都會(huì)增加外露面。因此，對(duì)于所有硬件和軟件方面來說，安全的挑戰(zhàn)和機(jī)遇都是并存的。

最后一個(gè)支柱是軟件。對(duì)于全新硬件架構(gòu)的每一個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升潛力，軟件能帶來超過兩個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升。

Raja指出：“英特爾在軟件領(lǐng)域的策略是一個(gè)架構(gòu)，像是CPU的圖形架構(gòu)，圍繞架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展。我們擁有一個(gè)1200萬活躍開發(fā)者的生態(tài)系統(tǒng)，橫跨PC、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心。”

同時(shí)，英特爾也設(shè)定三個(gè)目標(biāo)。一是簡(jiǎn)便和可擴(kuò)展。對(duì)于開發(fā)者來說，它應(yīng)該易于使用，而且不僅可以擴(kuò)展到所有的架構(gòu)，更可以擴(kuò)展到所有的操作系統(tǒng)，是從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到生態(tài)系統(tǒng)中的數(shù)百萬臺(tái)互聯(lián)設(shè)備。二是開放性，即將向所有人開放標(biāo)準(zhǔn)。三是必須提供統(tǒng)一的開發(fā)體驗(yàn)。“設(shè)定了這三個(gè)目標(biāo)，特別是為了構(gòu)建即將出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)的異構(gòu)性。”Raja表示。

為解決這個(gè)問題，英特爾投入一年多的時(shí)間在做OneAPI項(xiàng)目。One API整合了計(jì)算和架構(gòu)創(chuàng)新，通過高速互連以及新的軟件開發(fā)模式，為開發(fā)者簡(jiǎn)化API，并從英特爾計(jì)算架構(gòu)釋放出更高的性能和效率。Raja在大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)正式宣布，One API項(xiàng)目將在2019年第四季度之前如期交付給開發(fā)者。