Heterogenní systémová architektura - Heterogeneous System Architecture

Heterogenní systémová architektura (HSA) je sada specifikací od různých dodavatelů, které umožňují integraci centrální procesorové jednotky a grafické procesory ve stejném autobusu, se sdíleným Paměť a úkoly.[1] HSA vyvíjí Nadace HSA, který zahrnuje (mimo jiné) AMD a PAŽE. Účelem platformy je snížit latence komunikace mezi CPU, GPU a dalšími výpočetní zařízení, a učinit tato různá zařízení kompatibilnějšími z pohledu programátora,[2]:3[3] odlehčení programátoru úkolem plánování přesunu dat mezi disjunktními paměťmi zařízení (jak je třeba v současné době OpenCL nebo CUDA ).[4]

CUDA a OpenCL, stejně jako většina ostatních poměrně pokročilých programovacích jazyků, mohou pomocí HSA zvýšit výkon při provádění.[5] Heterogenní výpočty je široce používán v systém na čipu zařízení jako tablety, chytré telefony, další mobilní zařízení a herní konzole.[6] HSA umožňuje programům používat grafický procesor pro plovoucí bod výpočty bez samostatné paměti nebo plánování.[7]

Odůvodnění

Důvodem HSA je zmírnit zátěž programátorů při snižování výpočtů na GPU. Původně poháněn výhradně společností AMD a nazýván FSA, byla myšlenka rozšířena tak, aby zahrnovala i jiné procesorové jednotky než GPU, například jiné výrobce DSP, také.

  • Kroky provedené při odlehčení výpočtů do GPU na systému, který není HSA

  • Kroky provedené při odlehčení výpočtů do GPU v systému HSA pomocí funkce HSA

Moderní GPU jsou velmi vhodné pro výkon jedna instrukce, více dat (SIMD) a jedna instrukce, více vláken (SIMT), zatímco moderní CPU jsou stále optimalizovány pro větvení. atd.

Přehled

Původně představil vestavěné systémy tak jako Cell Broadband Engine, sdílení systémové paměti přímo mezi více aktéry systému činí heterogenní výpočetní techniku ​​více mainstreamovou. Samotný heterogenní výpočet se týká systémů, které obsahují více procesorových jednotek - centrální procesorové jednotky (CPU), jednotky grafického zpracování (GPU), procesory digitálního signálu (DSP) nebo jakýkoli typ aplikačně specifické integrované obvody (ASIC). Architektura systému umožňuje jakýkoli akcelerátor, například a grafický procesor, pracovat na stejné úrovni zpracování jako procesor systému.

Mezi jeho hlavní rysy definuje HSA jednotný virtuální adresový prostor pro výpočetní zařízení: tam, kde mají GPU tradičně vlastní paměť oddělenou od hlavní paměti (CPU), vyžaduje HSA sdílení těchto zařízení tabulky stránek aby si zařízení mohla vyměňovat data sdílením ukazatele. To má být podporováno zvykem jednotky správy paměti.[2]:6–7 Aby byla interoperabilita možná a také aby se ulehčily různé aspekty programování, má to být HSA JE -agnostické pro CPU i akcelerátory a pro podporu programovacích jazyků na vysoké úrovni.

Specifikace HSA zatím pokrývají:

Mezilehlá vrstva HSA

HSA Intermediate Layer (HSAIL), a virtuální instrukční sada pro paralelní programy

Paměťový model HSA

  • kompatibilní s C ++ 11, OpenCL, Jáva a .SÍŤ paměťové modely
  • uvolněná konzistence
  • navrženo tak, aby podporovalo jak spravované jazyky (např. Java), tak nespravované jazyky (např. C )
  • výrazně usnadní vývoj překladačů třetích stran pro širokou škálu heterogenních produktů naprogramovaných v Fortran, C ++, C ++ AMP, Java a kol.

Dispečer HSA a doba běhu

  • navrženo tak, aby umožňovalo heterogenní řazení úkolů: pracovní fronta na jádro, distribuce práce do front, vyvažování zátěže krádeží práce
  • jakékoli jádro může naplánovat práci pro kterékoli jiné, včetně sebe samého
  • výrazné snížení režie plánovací práce pro jádro

Mobilní zařízení jsou jednou z aplikačních oblastí HSA, ve kterých přináší vyšší energetickou účinnost.[6]

Bloková schémata

Bloková schémata níže poskytují ilustrace na vysoké úrovni toho, jak HSA funguje a jak se porovnává s tradičními architekturami.

  • Standardní architektura s diskrétní GPU připojený k PCI Express autobus. Nulové kopírování mezi GPU a CPU není možné z důvodu odlišných fyzických pamětí.

  • HSA přináší jednotnou virtuální paměť a usnadňuje předávání ukazatelů přes PCI Express namísto kopírování celých dat.

  • V dělené hlavní paměti je jedna část systémové paměti vyhrazena výhradně GPU. Výsledkem je, že operace nulového kopírování není možná.

  • Sjednocená hlavní paměť umožněná kombinací GPU a CPU s podporou HSA. Ve výsledku je možné provádět operace nulového kopírování.[8]

  • Oba CPU MMU a GPU IOMMU musí vyhovovat hardwarovým specifikacím HSA.

Softwarová podpora

Grafické procesory AMD obsahují určité další funkční jednotky určené k použití jako součást HSA. V systému Linux ovladač jádra amdkfd poskytuje požadovanou podporu.[9][10]

Některé funkce specifické pro HSA implementované v hardwaru musí být podporovány jádro operačního systému a konkrétní ovladače zařízení. Například podpora AMD Radeon a AMD FirePro grafické karty a APU na základě Další grafické jádro (GCN), byla sloučena do verze 3.19 Hlavní linka linuxového jádra, vydané dne 8. února 2015.[10] Programy přímo neinteragují amdkfd, ale zařadit své úlohy do fronty s využitím běhového prostředí HSA.[11] Tato úplně první implementace, známá jako amdkfd, soustředí se na "Kaveri" nebo „berlínské“ APU a pracuje společně se stávajícím grafickým ovladačem jádra Radeon.

Dodatečně, amdkfd podporuje heterogenní řazení do fronty (HQ), jehož cílem je zjednodušit distribuci výpočetních úloh mezi více CPU a GPU z pohledu programátora. Podpora pro heterogenní správa paměti (HMM), vhodný pouze pro grafický hardware s verzí 2 AMD IOMMU, byl přijat do hlavní řady linuxového jádra verze 4.14.[12]

Byla vydána integrovaná podpora platforem HSA pro vydání "Sumatra" z roku 2006 OpenJDK splatné v roce 2015.[13]

AMD APP SDK je proprietární vývojová sada softwaru AMD zaměřená na paralelní výpočty, dostupná pro Microsoft Windows a Linux. Bolt je knihovna šablon C ++ optimalizovaná pro heterogenní výpočty.[14]

GPU Otevřít zahrnuje několik dalších softwarových nástrojů souvisejících s HSA. CodeXL verze 2.0 obsahuje profil HSA.[15]

Hardwarová podpora

AMD

Od února 2015, pouze APU AMD „Kaveri“ řady A (srov. Stolní procesory „Kaveri“ a "Kaveri" mobilní procesory ) a Sony PlayStation 4 povoleno integrovaný GPU pro přístup k paměti prostřednictvím verze 2 IOMMU AMD. Dřívější APU (Trinity a Richland) zahrnovaly funkčnost IOMMU verze 2, ale pouze pro použití externím GPU připojeným přes PCI Express.[Citace je zapotřebí ]

APU Carrizo a Bristol Ridge po roce 2015 také obsahují integrovanou GPU funkčnost IOMMU verze 2.[Citace je zapotřebí ]

V následující tabulce jsou uvedeny vlastnosti AMD je APU (viz také: Seznam jednotek AMD zrychlených na zpracování ).

[ VisualEditor ] [ ]
Krycí jménoServerZákladníToronto
MicroKjóto
plocha počítačeHlavní proudCarrizoBristol RidgeRaven RidgePicassoRenoir
VstupLlanoTrojiceRichlandKaveri
ZákladníKabini
mobilní, pohyblivíVýkonRenoir
Hlavní proudLlanoTrojiceRichlandKaveriCarrizoBristol RidgeRaven RidgePicasso
VstupDalí
ZákladníDesna, Ontario, ZacateKabini, TemashBeema, MullinsCarrizo-LStoney Ridge
VestavěnéTrojiceOrel bělohlavýMerlin Falcon,
Hnědý sokol		Výr virginskýŠedý jestřábOntario, ZacateKabiniStepní orel, Korunovaný orel,
Rodina LX		Prairie FalconPoštolka pruhovaná
PlošinaVysoký, standardní a nízký výkonNízký a extrémně nízký výkon
UvolněnoSrpna 2011Říjen 2012Červen 2013Leden 2014Červen 2015Červen 2016Říjen 2017Ledna 2019Března 2020Leden 2011Květen 2013Dubna 2014Květen 2015Únor 2016Dubna 2019
procesor mikroarchitekturaK10PiledriverParní válecRypadlo"Bagr + "[16]ZenZen +Zen 2rysJaguárPumaPuma +[17]"Bagr + "Zen
JEx86-64x86-64
Zásuvkaplocha počítačeHigh-endN / AN / A
Hlavní proudN / AAM4
VstupFM1FM2FM2 +[A]N / A
ZákladníN / AN / AAM1N / A
jinýFS1FS1 +, FP2FP3FP4FP5FP6FT1FT3FT3bFP4FP5
PCI Express verze2.03.02.03.0
Fab. (nm )GF 32SHP
(HKMG SOI )		GF 28SHP
(HKMG hromadně)		GF 14LPP
(FinFET hromadně)		GF 12LP
(FinFET hromadně)		TSMC N7
(FinFET hromadně)		TSMC N40
(hromadně)		TSMC N28
(HKMG hromadně)		GF 28SHP
(HKMG hromadně)		GF 14LPP
(FinFET hromadně)
Zemřít plocha (mm2)228246245245250210[18]15675 (+ 28 FCH )107?125149
Min TDP (Ž)351712104.543.95106
Max APU TDP (Ž)10095651825
Maximální základní takt APU (GHz)33.84.14.13.73.83.63.73.81.752.222.23.23.3
Max APU na uzel[b]11
Max procesor[C] jádra za APU48242
Max vlákna na jádro CPU1212
Struktura celého čísla3+32+24+24+2+11+1+1+12+24+2
i386, i486, i586, CMOV, NOPL, i686, PAE, NX bit, CMPXCHG16B, AMD-V, RVI, ABM a 64bitové LAHF / SAHFAnoAno
IOMMU[d]N / AAno
BMI1, AES-NI, CLMUL, a F16CN / AAno
MOVBEN / AAno
AVIC, BMI2 a RDRANDN / AAno
ADX, SHA, RDSEED, SMAP, SMEP, XSAVEC, XSAVES, XRSTORS, CLFLUSHOPT a CLZERON / AAnoN / AAno
WBNOINVD, CLWB, RDPID, RDPRU a MCOMMITN / AAnoN / A
FPU za jádro10.5110.51
Trubky na FPU22
Šířka potrubí FPU128 bitů256 bitů80-bit128 bitů
procesor instrukční sada SIMD úroveňSSE4a[E]AVXAVX2SSSE3AVXAVX2
3DNow!3DNow! +N / AN / A
PREFETCH / PREFETCHWAnoAno
FMA4, LWP, TBM, a XOPN / AAnoN / AN / AAnoN / A
FMA3AnoAno
L1 datová mezipaměť na jádro (KiB)64163232
Mezipaměť dat L1 asociativita (způsoby)2488
L1 instrukční cache za jádro10.5110.51
Max. APU celková mezipaměť instrukcí L1 (KiB)2561281922565126412896128
Mezipaměť instrukcí L1 asociativita (způsoby)2348234
L2 cache za jádro10.5110.51
Max. APU celková L2 cache (MiB)424121
Mezipaměť L2 asociativita (způsoby)168168
APU celkem Mezipaměť L3 (MiB)N / A48N / A4
Mezipaměť APU L3 asociativita (způsoby)1616
Schéma mezipaměti L3OběťN / AOběťOběť
Maximální sklad DOUŠEK Podpěra, podporaDDR3-1866DDR3-2133DDR3-2133, DDR4-2400DDR4-2400DDR4-2933DDR4-3200, LPDDR4-4266DDR3L-1333DDR3L-1600DDR3L-1866DDR3-1866, DDR4-2400DDR4-2400
Max DOUŠEK kanály na APU212
Maximální sklad DOUŠEK šířka pásma (GB / s) na APU29.86634.13238.40046.93268.25610.66612.80014.93319.20038.400
GPU mikroarchitekturaTeraScale 2 (VLIW5)TeraScale 3 (VLIW4)GCN 2. genGCN 3. genGCN 5. gen[19]TeraScale 2 (VLIW5)GCN 2. genGCN 3. gen[19]GCN 5. gen
GPU instrukční sadaTeraScale instrukční sadaSada instrukcí GCNTeraScale instrukční sadaSada instrukcí GCN
Maximální základní takt GPU (MHz)6008008448661108125014002100538600?8479001200
Maximální základní základna GPU GFLOPS[F]480614.4648.1886.71134.517601971.22150.486???345.6460.8
3D engine[G]Až 400: 20: 8Až 384: 24: 6Až 512: 32: 8Až 704: 44:16[20]Až 512:?:?80:8:4128:8:4Až 192:?:?Až 192:?:?
IOMMUv1IOMMUv2IOMMUv1?IOMMUv2
Video dekodérUVD 3.0UVD 4.2UVD 6.0VCN 1.0[21]VCN 2.0[22]UVD 3.0UVD 4.0UVD 4.2UVD 6.0UVD 6.3VCN 1.0
Kodér videaN / AVCE 1.0VCE 2.0VCE 3.1N / AVCE 2.0VCE 3.1
Úspora energie GPUPřesilovkaPowerTunePřesilovkaPowerTune[23]
TrueAudioN / AAno[24]N / AAno
FreeSync1
2		1
2
HDCP[h]?1.41.4
2.2		?1.41.4
2.2
PlayReady[h]N / A3.0 zatím neN / A3.0 zatím ne
Podporované displeje[i]2–32–433 (počítač)
4 (mobilní, vestavěné)		4234
/ drm / radeon[j][26][27]AnoN / AAnoN / A
/ drm / amdgpu[j][28]N / AAno[29]AnoN / AAno[29]Ano
  1. ^ Modely APU: A8-7680, A6-7480. Pouze CPU: Athlon X4 845.
  2. ^ PC by byl jeden uzel.
  3. ^ APU kombinuje CPU a GPU. Oba mají jádra.
  4. ^ Vyžaduje podporu firmwaru.
  5. ^ Žádné SSE4. Žádné SSSE3.
  6. ^ Jednoduchá přesnost výkon se počítá ze základní (nebo zesilovací) rychlosti jádra na základě a FMA úkon.
  7. ^ Sjednocené shadery  : jednotky mapování textury  : vykreslení výstupních jednotek
  8. ^ A b K přehrávání chráněného video obsahu také vyžaduje podporu karty, operačního systému, ovladačů a aplikací. K tomu je také nutný kompatibilní HDCP displej. HDCP je povinný pro výstup určitých zvukových formátů, což omezuje multimediální nastavení.
  9. ^ Chcete-li napájet více než dva displeje, další panely musí mít nativní DisplayPort Podpěra, podpora.[25] Alternativně lze použít aktivní adaptéry DisplayPort-to-DVI / HDMI / VGA.
  10. ^ A b DRM (Správce přímého vykreslování ) je součástí jádra Linuxu. Podpora v této tabulce odkazuje na nejnovější verzi.

PAŽE

Zbraně Bifrost mikroarchitektura, jak je implementována v Mali-G71,[30] plně vyhovuje hardwarovým specifikacím HSA 1.1. Od června 2016Společnost ARM neoznámila softwarovou podporu, která by tuto hardwarovou funkci využívala.

Viz také

Reference

  1. ^ Tarun Iyer (30. dubna 2013). „AMD představuje svoji technologii heterogenního přístupu k jednotné paměti (hUMA)“. Tomův hardware.
  2. ^ A b George Kyriazis (30. srpna 2012). Heterogenní systémová architektura: Technický přehled (PDF) (Zpráva). AMD. Archivovány od originál (PDF) dne 28. března 2014. Citováno 26. května 2014.
  3. ^ „Co je to heterogenní systémová architektura (HSA)?“. AMD. Archivovány od originál dne 21. června 2014. Citováno 23. května 2014.
  4. ^ Joel Hruska (26. srpna 2013). „Nastavení HSAIL: AMD vysvětluje budoucnost spolupráce CPU / GPU“. ExtremeTech. Ziff Davis.
  5. ^ Linaro. „LCE13: Heterogeneous System Architecture (HSA) on ARM“. slideshare.net.
  6. ^ A b „Heterogenní systémová architektura: účel a výhled“. gpuscience.com. 9. listopadu 2012. Archivovány od originál dne 1. února 2014. Citováno 24. května 2014.
  7. ^ „Heterogenní systémová architektura: Vícejádrové zpracování obrazu pomocí kombinace prvků CPU a GPU“. Integrovaný výpočetní design. Citováno 23. května 2014.
  8. ^ „Mikroarchitektura Kaveri“. SemiAccurate. 15. ledna 2014.
  9. ^ Michael Larabel (21. července 2014). „Ovladač AMDKFD se stále vyvíjí pro open-source HSA v systému Linux“. Phoronix. Citováno 21. ledna 2015.
  10. ^ A b „Linux kernel 3.19, Section 1.3. HSA driver for AMD GPU devices“. kernelnewbies.org. 8. února 2015. Citováno 12. února 2015.
  11. ^ „HSA-Runtime-Reference-Source / README.md at master“. github.com. 14. listopadu 2014. Citováno 12. února 2015.
  12. ^ „Linuxové jádro 4.14 oznámeno se zabezpečeným šifrováním paměti a dalšími“. 13. listopadu 2017.
  13. ^ Alex Woodie (26. srpna 2013). „Nadace HSA usiluje o posílení schopnosti GPU v Javě“. HPCwire.
  14. ^ „Bolt on github“.
  15. ^ AMD GPUOpen (19. dubna 2016). „CodeXL 2.0 obsahuje HSA profiler“.
  16. ^ „AMD oznamuje APU 7. generace: Rypadlo mk2 v Bristol Ridge a Stoney Ridge pro notebooky“. 31. května 2016. Citováno 3. ledna 2020.
  17. ^ "AMD Mobile" Carrizo "Rodina APU navržená tak, aby poskytla výrazný skok ve výkonu, energetickou účinnost v roce 2015" (Tisková zpráva). 20. listopadu 2014. Citováno 16. února 2015.
  18. ^ „Průvodce srovnáním mobilních procesorů Rev. 13.0 Strana 5: Úplný seznam mobilních procesorů AMD“. TechARP.com. Citováno 13. prosince 2017.
  19. ^ A b „GPU AMD VEGA10 a VEGA11 spatřeny v ovladači OpenCL“. VideoCardz.com. Citováno 6. června 2017.
  20. ^ Cutress, Ian (1. února 2018). „Zen Cores and Vega: Ryzen APUs for AM4 - AMD Tech Day at CES: 2018 Roadmap Revealed, with Ryzen APUs, Zen + on 12nm, Vega on 7nm“. Anandtech. Citováno 7. února 2018.
  21. ^ Larabel, Michael (17. listopadu 2017). „Radeon VCN Encode Support Lands in Mesa 17.4 Git“. Phoronix. Citováno 20. listopadu 2017.
  22. ^ Liu, Leo (4. září 2020). "Přidat podporu dekódování Renoir VCN". Citováno 11. září 2020. Má stejný blok VCN2.x jako Navi1x
  23. ^ Tony Chen; Jason Greaves, „Architektura AMD Graphics Core Next (GCN)“ (PDF), AMD, vyvoláno 13. srpna 2016
  24. ^ „Technický pohled na architekturu Kaveri společnosti AMD“. Polopřesné. Citováno 6. července 2014.
  25. ^ „Jak mohu připojit tři nebo více monitorů ke grafické kartě AMD Radeon ™ HD 5000, HD 6000 a HD 7000?“. AMD. Citováno 8. prosince 2014.
  26. ^ Airlie, David (26. listopadu 2009). „DisplayPort podporovaný ovladačem KMS začleněný do linuxového jádra 2.6.33“. Citováno 16. ledna 2016.
  27. ^ "Radeon feature matrix". freedesktop.org. Citováno 10. ledna 2016.
  28. ^ Deucher, Alexander (16. září 2015). „XDC2015: AMDGPU“ (PDF). Citováno 16. ledna 2016.
  29. ^ A b Michel Dänzer (17. listopadu 2016). „[OZNAM] xf86-video-amdgpu 1.2.0“. lists.x.org.
  30. ^ „ARM Bifrost GPU Architecture“. 30. května 2016.

externí odkazy