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异构计算中国芯！问题来了，异构计算到底是什么？

随着近几年天河2号和神威太湖之光相继在全球超级计算机公布的TOP500刷榜。在超级计算方面异构计算已经基本取代了同构计算，而且随着Intel着力发展CPU FPGA，AMD大力研发CPU GPU，异构计算也将越来越多的进入人们的视野。在国外公司积极布局异构计算的同时，国内公司也不甘落后。日前，中国华夏芯公司宣布，其异构计算处理器IP核已经在硅片上成功实现，并已通过HSA（异构系统架构）一致性测试。公司还宣布了新的机器学习和深层神经网络的开源项目，旨在进一步推动HSA异构计算的发展。

目前，在HSA协会的推动下，异构计算有向越来越多的领域侵蚀的趋势。那么,什么是异构计算？发展前景究竟如何？中国首个异构计算处理器又凭什么在业界处于领先地位呢？

什么是异构计算

同构计算是使用相同类型指令集和体系架构的计算单元组成系统的计算方式。而异构计算主要是指使用不同类型指令集和体系架构的计算单元组成系统的计算方式，常见的计算单元类别包括CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA等。异构计算用简单的公式可以表示为“CPU XXX”。举例来说，AMD着力发展的APU就属于异构计算，用公式表示就是CPU GPU。

由于术业有专攻，CPU、GPU、DSP、ASIC、FPGA各有所长，在一些场景下，引入特定计算单元，让计算系统变成混合结构，就能让CPU、GPU、DSP、FPGA执行自己最擅长的任务。如果能做到无缝地将运行于CPU之上的通用计算、运行于GPU之上的并行计算、运行于DSP之上或者ASIC/FPGA之上的优化计算整合在一起，就能获得更好的应用性能，更低的功耗等特性，相对于同构计算而言也可能有一定性能优势。

以天河2号的一个计算节点为例。Xeon E5的满载功耗达145W，双精浮点为0.21T Flops，而Xeon PHI功耗300W，双精浮点达1T Flops。

天河2号一个计算节点由2片Xeon E5和3片Xeon PHI，理论双精浮点性能为3.42T Flops，功耗为1190W，理论双精浮点性能与功耗的比值为2.87GFlops/W。相同功耗下使用8片Xeon E5只能获得1696Gflops的理论双精浮点性能，理论双精浮点性能与功耗的比值为1.42GFlops/W。从数据可以看出，在同等功耗下，在使用Xeon PHI加速后，理论双精浮点性能是只使用Xeon E5的2倍。

正是因为异构计算在理论上有着诸多的优势，一些媒体将“CPU XXX”称为下一代处理器。

在超算上应用广泛

事实上，最近几年曾经在TOP500刷榜，或者排名靠前的超算都采用了异构计算——中国神威太湖之光、美国超算泰坦、中国天河1号和天河2号。

泰坦有18688个运算节点，每个运算节点由1个16核心AMD Opteron 6274处理器和1个NVIDIA Tesla K20加速器组成，共计299008个运算核心，属于CPU GPU。

天河1号使用了14336片Intel Xeon X5670处理器和7168片NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡，属于CPU GPU。

天河2号有16000个计算节点，每个节点由2片Intel的E5 2692和3片Xeon PHI组成，共使用了32000片Intel的E5 2692和48000片Xeon PHI，属于CPU 众核芯片。正在升级的天河2号则将美国的Xeon PHI换成了自主研发的矩阵2000，属于CPU DSP。

中国首个异构计算处理器属于自主研发

近年来，国家对集成电路产业发展高度重视，在龙芯、申威等老牌设计单位取得累累硕果的同时，又成立了拥有1200亿元人民币的集成电路大基金扶持产业发展，先后与IBM、VIA、高通、AMD合资/合作成立兆芯、宏芯、华芯通等公司，并大力扶持展讯、海思、联芯等ARM阵营IC设计公司茁壮成长。

不过，在上述公司中，除了龙芯和申威之外，大多都对境外技术有一定依赖，有的还成为境外公司的马甲，既不具备造血能力，又只能依赖政府经费生存。可以说，当今开发处理器的公司中鱼龙混杂，真正能做到自主研发、自主可控的少之又少。

就是在业界普遍购买国外技术授权，开发所谓“国产”处理器的大背景下，华夏芯选择了最为艰难的自主研发道路——其处理器的指令集和IP都属于自主研发。

也许很多人从来没有听说过华夏芯这样一家公司，但该公司确实是中国第一家从事异构计算处理器IP核设计的集成电路企业——华夏芯公司是一个定位于全球市场的中国公司，研发团队的来源也是全球化，但是从技术到人才都掌握在华夏芯手中，比如华夏芯的3合1“ Unity”体系架构是其独创技术，在同行业中也处于领先地位。

更难得的是，华夏芯并没有像一些商业公司那样购买ARM指令集，而是公司自主开发的指令集、微结构和工具链。因此，在自主创新能力上，和一些购买ARM 的IP授权开发所谓“国产”CPU的国内厂商有着本质上的区别。

华夏芯公司最近发布了一系列新的IP授权产品，在全球范围授权IP，为客户提供一流的处理器设计技术。所有华夏芯的处理器均支持HSA。对此，华夏芯的董事长李科奕表示，“我们很高兴地看到华夏芯的新IP核通过了PRM HSA一致性测试，面向工业、物联网、高级驾驶辅助系统（ADAS）和嵌入式系统，该IP核对功耗进行了优化并向全球提供许可”。

据了解，华夏芯还是中国唯二的可以对外授权IP的处理器公司(另一家是龙芯)，在中国大多数CPU公司还处于购买国外IP做集成的时代，华夏芯能够自己开发IP并且能够对外授权就显得尤为难得。目前，华夏芯的CPU核可以通过IP授权的方式提供给客户，第一款CPU已经在台积电使用28nm HPC制成工艺流片，2016年第3季度提供给潜在客户作为评估或开发之用。

相对于国外大厂有何独门绝技

中国首个异构处理器相对于国外产品最大的特色就是3合1“ Unity”体系架构。本次在硅片上实现的IP核是华夏芯3合1“ Unity”体系架构的首次实现。Unity具有包括图像和视频处理在内的多维信号处理能力。华夏芯美国研发中心的CTO Mayan Moudgill博士表示，“矢量处理长度可依据矢量计算的需求动态设置，最大配置达到64KB，满足各种智能化应用和高性能计算对并行计算的要求，保证了指令架构的稳健性和软件代码的移植性。变长矢量处理单元（VPU）在进行大量数据处理的同时，结合了低功耗、乱序执行流水线等多项先进技术，从而使多个控制线程高效地执行”。

值得关注的是，在华夏芯面向全球发布上述消息2天之后，ARM也发布了与其类似的V8-A的矢量扩展架构（SVE），其技术特征与华夏芯推出的VPU单元极为相似。这说明，真正从事自主创新的国产处理器设计公司完全可以在核心技术上达到国际领先水平，其创新能力要远远优于那些通过IP授权设计CPU的公司，毕竟后者在自主创新的空间上受到授权许可方极其严苛的各种限制。

另外，市场上有很多SOC也集成了CPU、GPU、DSP等计算单元，比如像高通骁龙芯片、华为海思麒麟芯片都集成了CPU、GPU和DSP。那么，华夏芯3合1“ Unity”体系架构和市面上普遍存在的SOC有哪些优势呢？

之前提到的SOC的CPU、GPU、DSP的指令架构不同，微架构不同，工具链不同，是基于多核集成做出来的异构多核芯片，它们往往采用操作系统完成多核、多任务之间的同步与协调，因而会影响效率。在这里特别强调一下，传统的SOC多核编程非常难，虽然在物理上实现了单芯片多核集成，但是在开发习惯和流程上与传统的板上集成系统没有太大的不同，即性能不高、功耗不小、多套工具、多个团队、开发困难、优化更难。

相比之下，基于华夏芯Unity架构的芯片单核已经具备CPU、IVP(image and video processor)、DSP的处理能力，而且是一套指令架构，一套微架构，一套工具链。在做多核扩展、硬件加速器和FPGA的整合工作时，华夏芯的Utility体系架构将完全遵循HSA的规范，可以重用HSA的软件生态系统。因此，华夏芯的3合1做法在功耗、成本、性能、软件开发门槛、团队规模等方面都有巨大的优势。

异构计算市场前景如何

异构计算在理论上相对于同构计算拥有很多优势——HSA能够简化芯片结构设计、降低应用编程门槛、缩短项目研发周期、显著提升芯片性能、广泛共享软件生态。有厂家甚至宣传异构计算可以实现任何程序都不必费心考虑不同处理器内核之间的存储差异。但在现阶段，异构计算除了在超算上取得了明显成绩，在其他领域优势并不大。

即便异构计算目前还存在这样或那样的一些问题，但却是非常具有发展潜力的技术。随着技术的进步，电子消费品市场对于高性能并行计算的需求正在爆发性增长，特别是在机器视觉、人工智能、云计算、AR/VR、软件定义无线电以及其他新兴领域，都对异构计算系统有着非常大的需求。而HSA在系统编程方式上的迈进使得一个复杂片上系统能够协调在并行计算上比CPU更高效、更低功耗的GPU、DSP以及硬件加速器等计算单元承担大部分繁重的计算工作任务，在上述新兴领域能发挥较理想的作用。

也正是因此，Parmance公司计划与华夏芯在ML-HSA项目上进行合作——该项目面向机器学习和深层神经网络，并针对华夏芯此前发起的开源gccbrig项目进行优化，gccbrig项目为任何支持GCC的平台提供编译（终结转换）功能。

国外巨头也一直着力发展异构计算系统——Intel在去年以167亿美元收购阿尔特拉，发展CPU FPGA，AMD着力发展的APU也属于异构计算，像Imagination、MTK等一些厂商也在异构计算领域积极布局。可以说，异构计算的市场前景还是值得期待的。

结语

虽然在CPU、GPU、DSP等传统芯片上，中国与西方还有这比较大的差距，但在异构计算处理器上，中国与国际先进水平差距小，局部甚至还处于领先地位，可以说，本次华夏芯成功研发的异构计算处理器则是中国在该领域的有益尝试。

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中国摩一个项目情况介绍？

项目情况：中国摩位于渝北区空港板块轻轨3号线举人坝站旁边，项目是由中农国信集团在渝打造的集健康医疗、生态商旅、国际教育以及养生居住为一体的大型生活社区。

【项目优势】1.教育优势：项目配套幼儿园，周边空港中小学以及渝北中学距离项目很近，可以划片区就读，周边有巴蜀常春藤学校，满足孩子一站式教育。2.商业配套：中国摩主题商业与社区商业，自带大型商业体，满足生活需求。3.环境优势：项目周边多个公园环绕，家庭、青少年以及儿童主题乐园，2000亩世界之河主题公园，享受静谧生活环境。4.交通方面：距离项目500米左右是轻轨3号线举人坝站，连接江渝北以及巴南地区，属于重庆轻轨大动脉，多趟公交通达各地。5.医疗配套：中国摩与美国联盟医疗体系国际部（PHI打造社区内的“特色化康复医院 社区医务中心”完整健康养生体系，汇聚国内外优秀医疗资源，放心安心居家生活。

由中国PHI设计/咨询师主设计咨询或参与设计咨询，获得PHI认证的中国被动房项目有哪些？

汉堡之家

简介：“汉堡之家”位于上海世博园，完全由德国设计建造，并获得PHI认证。该建筑将通过高隔热隔音、密封性强的建筑外墙和可再生的能源实现每年每平方米消耗50千瓦，相当于普通办公楼四分之一的平均能源消耗量。

布鲁克酒店

简介：布鲁克酒店是中国南方炎热潮湿气候带地区第一座被动房，包括36间职工单间，6套两室的行政套房和4间带三室的样板公寓，该被动房设计思路为中国朗诗地产开发商未来发展规划扮演重要角色。

Halodome

简介：Halodome是一个多功能的自撑式建筑，全木结构，建造面积154平米，无柱子结构，这个13米的积木结构式穹顶所使用的可再生木材经过森林管理委员会（FSC）认证，适用于寒冷或炎热气候中的多功能超低能耗建筑。

幸福堡

简介：“幸福堡”被动式试点项目是中国西北地区乌鲁木齐市首座被认证的被动房，是一栋地下两层、地上六层的单体楼。地下负一层为商店，地上一层为餐馆，其余几层均为办公或居住使用。

哈尔滨森鹰总部办公楼

哈尔滨森鹰工厂

简介：几乎不需要采暖与制冷等主动能源，只依靠太阳能、机器、电器和人体发热等被动能源就可以满足温度要求。

河北新华幕墙行政办公楼

河北新华幕墙公寓楼

涿州独立式住宅

高碑店被动式专家公寓楼

简介：地下一层，地上九层。取消了传统的供暖与制冷系统，通过全热交换中央（除霾）新风一体机进行空气净化与热交换。通过PHPP软件的物理模拟计算，被动式专家公寓楼的各项指标数值均已达到PHI的认证标准。

龙湖集团被动房体验馆

长鹏汽车被动式改造办公楼

简介：建筑高度14.6m，地上三层，一二层为办公区域，三层西侧为客房，东侧为休闲健身中心，局部四层为档案管理室，一、二、三层层高为3.6m，局部四层层高3.0m，建筑结构形式为框架结构。该工程位于寒冷B区，建筑朝向为正南正北，建筑体形系数0.23。该被动房改造项目是中国第一座成功被动房改造项目。

翠成D-23残疾人康复中心

简介：该项目地下一层，地上三层，结构形式为框架剪力墙结构。该项目在设计阶段就围绕超低能耗的关键指标采用DEST软件和PHPP软件对建筑能耗进行优化计算，最终形成了经济合理可行的技术方案，在该气候带具有可推广性。主要技术措施包括：300mm厚的岩棉带外墙外保温系统，300mm厚的挤塑聚苯板屋面保温系统，经过德国被动房研究所认证的传热系数达到0.8W/㎡.K的高效节能外窗，热回收效率大于75%的新风系统，地源热泵可再生能源技术及气密性处理等。

青岛中德生态园被动房技术体验中心

简介：中德生态园被动房技术体验中心项目作为青岛地区的被动式建筑示范项目, 是中德生态园与德国荣恩建筑事务所、德国被动房研究所及中国建筑科学研究院合作建造的亚洲最大的被动房项目。该项目位于中德生态园C2组团西北角,占地面积约4843m,总建筑面积约13000m , 其中地上面积约8200m,地下面积约4900 m，功能包括被动式建筑技术展示、交流和培训、办公、试体验居住等。项目将按照被动式建筑的最高标准进行设计建设。

上海木结构俱乐部

简介：一个116平方米TFA的会所，包括20个座位的餐厅和新总部阳台上的茶室。带有两套通风系统，每套可吸收300m3/h的新鲜空气和600m3/h循环空气，带有热回收，集成的冷却/加热线圈安装在地板下面。一种普通的室外热泵用于服务这两套新风机组。新鲜空气入口在南部的地板上，排气口在北边的天花板上。由于消防规定，只有A级防火材料（岩棉）在墙上使用。

“众森红谷一品”被动式幼儿园

简介：江西省第一座被动式幼儿园，是中国夏热冬冷地区第一座由“德国被动房研究所（PHI）”认证的被动式幼儿园，是中国被动式建筑的优秀范例。

河北曹妃甸首堂创业家项目

简介：首堂创业家项目由京冀曹妃甸协同发展示范区建设投资有限公司开发建设，被国家住建部认定为被动式超低能耗绿色建筑科技示范工程项目。该公司表示，作为践行绿色发展、致力开发绿色建筑的引领者和示范者，更要围绕绿色住宅、科技住宅做好富有特色的物业服务，为曹妃甸新城提供优质的城市生活配套服务，努力打造成曹妃甸乃至华北地区被动房服务亮点项目，助力曹妃甸新城高质量发展。

河北高碑店单户住宅

延庆朗诗华北被动房体验中心

简介：该项目为中国首个获得Plus级别被动房认证的项目。项目由朗诗绿色集团北京地产公司投资开发；德国弗莱建筑集团（WFP Architekten）提供被动房设计与咨询；北京市住宅建筑设计研究院有限公司进行施工图设计。项目位于北京延庆，形体方正，体系系数较好，坐北朝南。作为被动房体验中心，建筑首层为被动房展厅，展示被动房原理及相关设备材料等；二楼设置两个居住体验单元：一个单身公寓及一个两居室的体验间。该项目可再生一次能耗仅为49kWh/m²a， 单位基底面积产电多达110kWh/m²a。

山东华建铝业皇山生态园接待中心项目

简介：山东华建铝业集团皇山生态园接待中心项目通过德国被动房研究所PHI认证，该项目是全球首例冷弯薄壁型钢装配式被动房，为世界首创。该项目总体建筑面积3880平米，为相似结构6个单体建筑，布局呈L型排列，朝向各异，对设计和施工等提出了很高的要求。该项目由潍坊泰来钢结构工程有限公司负责结构设计及承建，由德国Jiang-Passivhaus Technik公司负责建筑物理分析、监造、认证咨询等一系列被动房相关服务。该项目所用门窗为华建铝业集团易欧思自主研发、专为被动式建筑设计的、具有高性能高隔热特点的ES101系列系统门窗！

高碑店长城国际幼儿园幼儿园

简介：建筑类型是幼儿园，是高碑店列车新城项目第一阶段建设的一部分

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