融合Arm、RISC-V技术,首款百亿亿级超算HPC处理器在欧洲成型

小飞飞

在最近于波兰举行的 EuroHPC 峰会上，披露了欧洲第一颗本土 HPC 处理器的一些详细信息。这款 HPC 将综合使用 Arm、RISC-V、高带宽存储器和许多其它处理器设计技术，采用多夹心封装，将应用在欧洲本土第一款百亿亿级的超级计算机上。这项工作是在欧洲处理器计划（EPI）的推动下进行的，EPI 是由欧盟资助的一项旨在开发用于 HPC、AI 或其它应用领域的本土芯片技术的科技计划。

在这次 EuroHPC 峰会期间，EPI 计划的总体负责人 Philippe Notton 大致介绍了 HPC 的架构，并透露了 SiPearl 的存在。SiPearl 是一家无晶圆厂芯片设计公司，它处理 EPI 计划产生的知识产权事宜，并将这颗百亿亿级处理器推向市场。Notton 也是这家公司的创始人，他向大家介绍了 SiPearl 产品的路线图。

路线图显示，代号为"Rhea"的第一代 SiPearl 芯片将于 2021 年发布，它将用于百亿亿级超级计算机的原型机，并帮助测试应用在于 2023 年面市的欧洲首批百亿亿级超级计算机上的 EPI 技术。产品级的百亿亿级超级计算机可能会用上代号为"Cronos"的第二代 SiPearl 芯片，预计它最早在 2022 年准备就绪。路线图上还标示了没有给出具体代号名称的第三代 SiPearl 芯片，它可能用于欧洲第二代百亿亿级超级计算机系统。此外，SiPearl 还打算针对人工智能、大数据和汽车市场设计芯片，如果一切按计划顺利推进，SiPearl 还将推出面向企业服务器市场的芯片。

有媒体采访了 Notton 和 EPI 主席 Jean-Marc Denis，一起探讨了 EuroHPC 目前的研发进展和正在开发中的各种芯片技术。这是欧洲第一次真正涉足高端处理器设计，Notton 和 Denis 也承认，为了推动工作顺利向前推进，需要践行一定程度的拿来主义和实用主义。在坚持自主创新的基础上，必须考虑到当今全球半导体供应链的现状，并考虑一些具体的情况。

特别地，Arm 已经被日本的软银收购，这就基本上让 EuroHPC 的本土自主平台变成了一句空话。当然，即使 Arm 可以不听命于日本软银集团，在英国本土继续保持独立运营，现在英国脱欧了，这也给欧洲的“本土”标签打了一个大大的问号。此外，包括 PCI-Express 和高带宽内存等其他技术也会使得 EuroHPC 技术平台的纯正欧洲血统大打折扣。

除了一干处理器设计技术，它的封装基础架构所基于的 2.5D 内插器技术也来自海外。当今世界上已经付诸实践的 2.5D 封装只有两种标准，分别来自英特尔的嵌入式多芯片互联桥（EMIB）和台积电的基板上晶圆级芯片。Notton 和 Denis 只确认了他们确实没有使用英特尔的封装技术，至于其它的，他们没有给出更多的暗示。

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不过，SiPearl 芯片最关键的设计工作确实可以算作是在欧盟内部进行的，Arm 设计为此加分不少。SiPearl 的芯片架构 IP 来自 Arm 的授权，EPI 将专门把它用在超级计算上。在 HPC 的设计中，相对于其它辅助处理器，Arm 承担着主处理器的角色。其它来自欧洲的组件包括基于 RISC-V 架构的 HPC 加速器、多用途处理阵列（MPPA），它们将由法国的芯片制造商 Kalray 提供，除此之外，还包括法国 Menta 提供的 FPGA 技术。

“我们这个 HPC 平台集成了所有这些元素。”Notton 告诉我们。

MPPA 技术专为高性能嵌入式计算、数据中心组网和存储功能加速而设计。在 EPI/SiPearl 的愿景中，这项技术最为明显的目标应用是自主驾驶汽车，但是这项技术在 HPC 平台上的作用主要体现在在实时数据流上降低数据负荷和执行数据转换。

FPGA 组件可以修复平台 bug，或者在无需更换硬件的条件下及时适应不断变化的标准。当然，FPGA 组件也可以用作平台上的可重配置加速器，用于处理专门的 HPC 工作负荷。

对于 Arm 设计，EPI 计划的工程师们将集成基于可伸缩矢量扩展（SVE）技术的 HPC 级矢量处理功能，SVE 技术由富士通和 Arm 共同开发，用于日本 RIKEN 实验室的 Fugaku 百亿亿级超级计算机系统中的“Post-K”ARM64FX 处理器。尽管 Notton 和 Denis 没有明言，但是我们认为他们可能会使用更新一代的 SVE2 技术。Arm 公布了结合了事物级内存扩展（TME）功能的第二代矢量扩展技术，它是专门面向 HPC 应用的附加功能，可以用于提高并行软件的性能和可扩展性。我们猜测，EPI 团队将把 TME 技术和 SVE 技术综合应用到其百亿亿级处理器中。

EPI 同时还在开发基于开源 RISC-V 架构的定制 HPC 加速器。这个 EPI 加速器的另外一个名称是 EPAC，它将由多达 8 个矢量处理器组成，这些处理器通过片上网络共享 L2 缓存。除了这个矢量处理器，EPI 加速器还包含一个专门用于加速模板操作的单元，以进一步提高计算机模拟性能，以及其它依赖模板结构的代码执行效率。EPI 还讲开发一个基于 RISC-V 架构的 AI 加速器，其中将包括一个专用的深度学习单元，不过，这个 EPAC 不会成为 HPC 处理器平台的一部分。

针对 HPC 定制的 EPI 加速器将和 Arm 主处理器一起，分布在不同的夹心。尽管目前还不清楚 Arm 内核和 RISC-V 加速器的精确比例，但是据 Notton 估计，SiPearl 制造的第一代 HPC 处理器中将有 80%的夹心面积用于 Arm。

尽管在表面上看起来，讲一个已经包含了矢量加速单元的 Arm 主处理器和另外一个单独的 HPC 加速器集成在一起似乎有些多余，但是 Denis 表示，之所以在 HPC 器件上同时包含这两者，是为了给开发人员提供更大的灵活性。开发人员既可以使用 Arm 中的通用 SVE 功能，以简化系统开发，也可以使用更加定制化的 HPC 加速器来优化执行速度和提高能效。当第一代百亿亿级超级计算机上市时，我们将看到这两种加速器是如何在现实世界中各自发挥作用的。

还有一个使事情变得更加有趣的地方。根据 Notton 和 Denis 的说法，RISC-V 将成为加速器和主处理器的首选架构，事实上，按照英特尔的 Knights Landing Xeon Phi 处理器的方式，完全可以在一个芯片架构上同时实现主处理器和加速器。不过，从这个角度上来看，似乎 ARM 更应该成为首选架构，因为 Arm 的硬件技术和相关软件生态系统已经非常成熟了。

但是，正如之前所提到的，Arm 基本上不能再被看做是欧洲本土的架构技术了。此外，它还收取授权费和许可费，而开源的 RISC-V 是免费的。不过，使用 RISC-V 也存在一定的风险，特别是考虑到 RISC 这个架构现在的实现中几乎都是针对嵌入式计算的，而并非针对 HPC 计算。嵌入式计算通常比 HPC 有着针对性更强的特殊需求。

展望未来，EPI 平台上 Arm 和 RISC-V 的力量平衡将取决于多种因素，包括市场对 RISC-V 的接受程度、RISC-V 生态系统的增长速度、RISC-V 的许可政策有没有变化，以及 ARM 如何应对来自 RISC-V 的威胁。

“我们的长期目标是形成并使用充分欧洲化的 IP。”Denis 说。

欧盟需要做好长期竞赛的准备。如果其成员国选择使用来自英特尔、AMD、英伟达或者其它来自美国芯片制造商的芯片，他们肯定会在 2023 年之前的一到两年内建造出一个百亿亿级超级计算机系统来。但是，欧洲大陆越来越渴望发展本土芯片产业和供应链，并决心摆脱对美国 IT 技术的依赖。

为了实现这一目标，欧洲已经退出了超级计算机竞赛，实际上，这只是一个很小的代价，果断放弃竞赛更加有助于本土处理器行业的发展。欧洲希望，不仅能够拥有和美国、中国、日本同等的超级计算能力，还可以更为自主地决定自己在更广泛的 IT 领域的命运。

本篇完