如何让算力提升1000倍？

编者按

说到算力提升，大家可能想到的就是通过工艺进步、Chiplet封装以及架构优化来提升性能，以及通过“东数西算”扩建数据中心的方式来扩大计算节点的规模。

但仅仅考虑这些，还远远不够。要想实现算力1000倍甚至更多倍的提升，势必需要宏观整体全方位的协同优化和创新。

具体办法，本文详细分析。

1 算力综述

1.1 对算力的追求，永无止境

几个典型案例：

• 2012-2018年共6年时间里，人们对于AI算力的需求增长了超过30万倍；
• 要想实现L4/L5级别的自动驾驶算力，需要将目前两位数TOPS的算力提升到四位数TOPS，需要算力提升100倍；
• Intel SVP拉加·库德里表示，要想实现元宇宙级别的用户体验，需要当前的算力要再提升1000倍。

软件和硬件，是一对永恒的矛盾：硬件永远无法满足软件对性能的需要。

目前，算力要想进一步提升，遇到非常大的挑战：一方面，基于CPU的性能已经到达瓶颈，摩尔定律失效；另一方面，通过AI-DSA等加速方式提供的算力灵活性、易用性都很差，导致算力的利用率很低，芯片的落地规模很小。

换个视角看，因为硬件的约束，限制了软件的迅猛发展。假设硬件可以立竿见影、快速的提供相比目前千倍万倍的算力，上层应用场景一定会繁花似锦，我们可以大踏步的走进元宇宙等数字新时代。

对算力的追求，永无止境！

1.2 跟算力相关的因素

在今年二月份的时候，公众号发布了《预见·第四代算力革命》四篇系列文章，详细地拆解了算力的组成因素，以及介绍了新一代的计算架构。在文章中，我们列出了如下的公式：

实际总算力 = （单个处理器的）性能 x 处理器的数量 x 利用率

这样，跟算力相关的需要优化的因素就可以简单总结为三个层次：

• 第一个层次，单芯片性能。单芯片性能的提升，简单地来说，主要有三个办法：工艺进步、Chiplet封装以及架构/微架构创新。
• 第二个层次，芯片的落地规模，即数量。要想芯片大规模落地，首先要考虑的不是简单的建设数据中心，买更多的服务器，而是要考虑芯片是否能够支持大规模落地。例如，受AI算法快速多变和算法众多的原因，目前AI芯片的落地存在困境。
• 第三个层次，整体算力的利用率。如果算力资源不能连成一片，一盘散沙，那就没有意义。要想提升算力利用率，考虑的重心不是单芯片的资源利用率，而是宏观资源利用率。宏观资源利用率，就是把所有的计算资源连成一个大的计算资源池，然后可以非常灵活的资源切分、组合、分配和回收。挑战在于，如何把种类繁多的异质的计算资源汇集到一个资源池。

三个层次，从微观、中观再到宏观，逐次为大家解开算力提升的方方面面。接下来，我们详细拆解。

2 第一层：提升单芯片的性能

2.1 方法一：工艺进步

要想单芯片持续不断的性能提升，工艺封装是主要的推动力量。工艺持续进步、3D堆叠等技术，在芯片上可以容纳更多的晶体管，也意味着芯片的规模可以越来越大。目前的挑战在于，随着工艺进入5纳米以内，工艺进步对芯片的性能提升变得越来越缓慢。

未来，量子工艺，可能会替代现在的CMOS工艺。有了量子门级电路的强力支撑，显著地提升了芯片的性能，而上层的芯片架构和软件生态，跟现有工艺是兼容的，仍然可以持续繁荣发展。

2.2 方法二：通过Chiplet，立竿见影地大规模提升单芯片设计规模

Chiplet，中文通常称为小芯片，意思就是说通过把不同功能的裸芯片DIE，通过某种介质封装在一起，从而形成多DIE的单芯片。

UCIe是一个开放的行业互连标准，可以实现小芯片之间的封装级互连，具有高带宽、低延迟、经济节能的优点。UCIe能够满足几乎所有计算领域，包括云端、边缘端、企业、5G、汽车、高性能计算和移动设备等，对算力、内存、存储和互联不断增长的需求。UCIe 具有封装集成不同Die的能力，这些Die可以来自不同的晶圆厂、采用不同的设计和封装方式。

Chiplet的价值非常巨大，有了Chiplet标准UCIe之后，整个产业链的企业可以一起行动起来，快速地把应用Chiplet技术的相关芯片产品落地，这会使得平均单芯片设计规模会显著激增。也意味着在宏观背景下，单芯片可以支持显著增加的设计规模，也即显著增加的性能。

2.3 方法三：通过超异构计算，指数级的提升芯片性能

Chiplet技术可以显著的、数量级的提升芯片的设计规模。但如果我们不在架构上进行大范围的创新，而是小修小补，那么就会暴殄天物。

Chiplet的利用方式，如上图所示，大体上可以分为三种：

• 方案1：设计规模不变，优化单DIE面积和良率等，可以百分比的提升性能。
• 方案2：单DIE设计规模不变，多DIE集成。这样，随着面积的增加，性能可以线性增长。
• 方案3：多DIE集成设计规模倍增，并且重构系统。如下图所示，通过超异构的方式，构建更加优化的系统，这样可以做到随着面积的增加，指数级的增加性能。

图 通过超异构重构并优化（宏）系统

3 第二层：提升芯片的落地规模（数量）

要想提升芯片的落地规模，并不是直接复制这么简单。这里涉及很多复杂的先决问题，需要解决。一个典型反面案例就是目前的AI芯片困境：由于AI-DSA的灵活性跟AI算法所需要的灵活性不匹配，导致现在AI芯片的落地就存在很多困境，从而限制了其落地的规模。

3.1 芯片要足够通用，以此来覆盖更多的用户、更多的场景和更长期的场景迭代

芯片需要足够的通用，才可能覆盖更多的客户、更多的场景，以及每一个场景的长期迭代。

但在CPU性能达到瓶颈之后，很多人逐渐“忘记”了这个这些原则。很多人觉得，需要针对场景的特点深度“定制”，在芯片设计的时候，把更多的业务逻辑变成硬件，把传统软件完成的工作通过硬件加速实现，从而提升性能。

然而，实践证明，这种方式是走不通的。还是以AI芯片为例：

• AI场景算法极其众多，一般的互联网公司，内部经常使用的AI算法可能会多达上千种；并且，AI算法还变化很快，算法迭代通常上是2个月一个小迭代，6个月一个大迭代。
• 然而，芯片的迭代周期没有这么快，芯片通常2年一个迭代，并且还要考虑大约5年的生命周期。硬件7年的迭代+生命周期和软件2个月的迭代周期，差距悬殊。
• 强行把软件的业务逻辑直接下沉到硬件，可能会碰到这样的尴尬：只能适配某个用户的某个更细分场景的某个短时期内的应用，从而导致芯片的价值和落地规模受到极大的约束。

当CPU到达性能瓶颈之后，新的挑战是：如何在硬件加速时代，实现足够高的通用性。

这里，我们给出“完全可编程”处理器的概念：

• 所有功能由用户通过软件定义。授人以鱼不如授人以渔，既然提供的是平台化解决方案。不同的用户，根据自己的需求组合功能，实现功能和场景差异。
• 所有业务逻辑由用户通过编程实现。用户自己的软件已经存在，业务逻辑也是经过长期打磨，对业务逻辑修改一定是慎之又慎。用户期望的是不修改业务逻辑情况下，通过硬件实现业务处理的加速。
• 用户没有平台依赖。软件热迁移需要一致性接口硬件，上层业务逻辑也需要一致性的硬件功能支持。这些都需要，站在用户视角，不同芯片厂家提供的是接口和架构完全一致标准化的产品。

如果在CPU处理器上实现上述“完全可编程”的支持，非常简单，但意义不大，因为没有提升性能。“完全可编程”是在超异构的多种异质处理引擎混合计算下，实现算力的数量级提升，同时仍能保持足够的“完全可编程”能力。

3.2 芯片要很好的灵活性，适配复杂宏系统的各种变化

越是简单的系统，变化越少，对灵活性的要求越低；越是复杂的系统，变化越大，对灵活性的要求越高。

在云网边端万物互联的大背景下，系统具有如下一些变化：

• 随着应用系统规模的扩大，系统在逐渐解构，传统的巨服务在逐渐的变成一组微服务的系统，甚至客户端，也分解成瘦客户端和一组“微服务”的组合；
• 以服务器为例，物理的计算资源按照一定的粒度切分，然后组合出各种虚拟的计算资源组合，如虚拟机、容器等，形成多用户的多个不同系统共存；这些虚拟的计算资源组合，再跟更多的虚拟计算资源组合形成软件层次的集群协同。
• 更多用户的更多集群系统共存于一个数据中心；还有跨数据中心的系统共存和协同；甚至，还有跨云网边端的系统共存和协同。

系统越来越复杂，并且不同用户不同系统混合部署于同一个物理的数据中心服务器上。系统对虚拟化、弹性扩展、可编程能力等灵活性能力的要求，远高于单机系统。因此，要考虑单芯片如何大规模落地，就需要在灵活性方面重点关注：

• 一方面需要提升单芯片的扩展性、可编程性、灵活性、易用性等能力；
• 另一方面，需要提供基于芯片平台的整体解决方案给到用户，并且能够提供很好的宏观系统灵活性能力的支撑。

3.3 之后，才是大规模复制

当我们的单芯片，可以支持更大规模落地，可以支撑宏系统的各种复杂的能力要求，给驾驭宏观系统的软件工程师提供强大的基础支撑。之后，才是通过大规模的算力建设来提升宏观算力。

目前，超大规模数据中心越来越多，从传统数百台服务器的机房，升级到数千台服务器的数据中心，再到数万台甚至数十万台的超大规模数据中心。都是通过数量的增加，来不断提升宏观总算力。

集中式的云数据中心还无法满足所有场景的需求，数量众多的边缘数据中心也越来越多，进一步加大了在网的服务器数量，进一步增加了宏观总算力。

2022年初，国家发改委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合印发通知，同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点，并规划了10个国家数据中心集群。至此，全国一体化大数据中心体系完成总体布局设计，“东数西算”工程正式全面启动。

“东数西算”，进一步通过规模化建设，提升我们国家的宏观总算力。

4 第三层：提升算力资源的利用率

算力资源的利用率，对算力的规模和成本影响非常巨大。麦肯锡的一份研究报告显示，全球服务器的平均每日利用率通常最高仅为6%；据Gartner统计，全球数据中⼼利用率不足12%。以上数据都表明，数据中心的服务器成本及资源消耗存在巨大的“浪费”。如果可以把算力资源的综合利用率从6%提升到90%，也就意味着可以立竿见影的增加15倍的宏观算力，同时意味着单位算力成本下降到1/15。

4.1 最基本的，提升单芯片的计算资源利用率

在CPU为主流计算处理器的时候。通过操作系统，可以实现把一个个应用封装成进程/线程，然后再经过调度，可以实现对计算资源的分时复用（单核情况下）。在多核情况下，就会通过多核调度器，实现对多个计算资源的综合调度。

更进一步的，（站在单机系统视角）通过计算机虚拟化和容器虚拟化技术，进一步提升资源的利用率。

4.2 资源池化，把孤岛连成一片，进一步提升资源利用率

如何提高宏观算力的利用率？本质的就一句话：把众多单个芯片的性能，汇集成一个大的算力资源池。反过来，如果独立的各个芯片的性能，无法汇集成巨大的算力资源池，形成一个个孤岛，单个芯片性能再高也没有意义，一盘散沙，利用率也很难提升。

从这个意义上说，我们不仅需要关注如何提升单个芯片的资源利用率，还更应关注的是如何把无数多个计算资源汇集成庞大的资源池，可以非常灵活的资源切分、组合、分配和回收，从而提升宏观算力利用率。

要把一个个个体的资源连接成巨大的资源池，需要：

• 硬件本身，需要支持（硬件）虚拟化，如Intel的VT-x/VT-d技术，包括IO设备，需要支持基于SR-IOV等技术的完全硬件虚拟化，加速器本身也需要支持虚拟化的逻辑处理通道。
• 在此之上，通过虚拟化技术，提升单个处理芯片的计算等资源的利用率，以及通过虚拟化技术中的软件迁移功能，使得上层的业务软件可以方便地选择（整个资源池中）不同的物理资源运行。这样才能实现资源的单硬件资源的切分和多硬件众多资源的池化。

移动、电信等运营商积极倡导“算力网络”技术，旨在通过网络把宏观所有的算力资源汇集成池，可以非常方便的为用户提供最合适的算力组合，也可以最大限度的提升宏观资源利用率。

4.3 挑战在于，如何把异质的计算引擎池化

最理想情况是：CPU性能够用，处理器依然是清一色的CPU处理器；所有CSP的所有的云和边缘数据中心服务器，以及各类智能终端设备，都是一种架构，比如X86。这样，我们就可以非常简单地通过虚拟化技术和云和边缘的分布式“操作系统”把处理器资源连接成一个巨大的唯一的算力资源池。

可惜的是，CPU的性能瓶颈，我们不得不通过各种硬件加速的方式，千方百计地来提升性能。这样，超异构就会逐渐地成为计算架构的主流。超异构计算难以驾驭，数量众多的处理器类型，会使得计算资源进一步碎片化，与计算资源池化背道而驰。

我们来进一步分析，如上图所示，我们可以知道，各类处理引擎均存在各自不同的优势和劣势：

• 越左边的处理引擎，覆盖的场景越多，子类型越少，性能越低。例如CPU可以做到绝对的通用，可以适用于几乎任意场景，因此只有一种子类型，但其性能最差。
• 越右边的处理引擎，覆盖的场景越少，子类型就需要的越多（例如有100个厂家，一个子类只能覆盖一个场景，那么就需要有100个子类型，才能覆盖所有场景），但性能却会越来越好。

领域/场景越来越碎片化，构建生态越来越困难，需要从硬件定义软件，逐步转向软件定义硬件。超异构计算处理引擎的类型和数量越来越多，（不同厂家）处理引擎架构越来越多，芯片平台的数量越来越多，所处的位置（云网边端）也越来越多，需要构建高效的、标准的、开放的生态体系。

最终，超异构计算，需要开源开放架构和生态（尽可能减少各种类型架构的数量，让架构的数量逐渐收敛）；更需要能够实现跨同类型不同架构以及不同类型架构处理器（引擎）的应用开发框架，如Intel oneAPI。

不同类型的计算资源最终需要汇集成单个资源池，因此，从不同的程度上来说，计算需要：

• 跨同领域不同架构的处理引擎子类，例如AI程序可以在不同的AI处理器上运行，软件程序在x86、ARM或RSIC-v上均可运行；
• 跨不同类型的处理引擎，例如应用可以在CPU、GPU、FPGA或DSA运行；
• 跨不同厂家芯片平台，例如整个软件解决方案，可以在Intel平台运行，也可以在NVIDIA平台运行，也可以在其他各家芯片平台运行；
• 跨云网边端，微服务可以自适应的在云、网、边、端任何位置运行，并且可以自适应的最优化的利用运行平台的各种加速计算资源。

只有通过这样一些办法，把各类不同架构、不同类型、不同厂家、不同位置、不同的设备的资源连成唯一的一个巨大的计算资源池，才能真正避免算力资源孤岛，才能真正实现算力资源利用率的最大化。

并且，超异构计算时代，不仅仅需要CPU（以及内存）支持硬件虚拟化，还需要其他的I/O设备、其他各类加速处理器（引擎）都需要支持硬件虚拟化。可以把资源通过时间或空间的切分和复用，实现资源的虚拟化，然后进一步通过虚拟化、算力网络等技术，来提高资源的利用率。

最后，简单聊一下开源开放。在单CPU处理器类型的时代，开源开放的RISC-v是我们的一个选项（还有x86和ARM可以选）。但到了超异构计算时代，开源开放就不是选项，而是唯一的出路。

（正文完）