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IBM开源POWER指令集,国产高性能CPU迎来新机遇?

当地时间8月20日周二,IBM在美国圣地亚哥的OpenPOWER峰会上,正式宣布开源旗下高性能CPU——POWER处理器的指令集架构(ISA)作为开放标准。此外,作为该计划的一部分,OpenPOWER基金会将成为Linux基金会的一个部门。

POWER指令集架构正式开源

随着IBM向OpenPOWER基金会提供了POWER ISA许可,开发者可借此确保在 POWER 上运行的软硬件的协同定义,鼓励他们构建新的硬件、借助领先的企业功能来处理数据密集型工作负载、为 AI 和混合云创建新的软件应用程序、并获得独特的硬件优势。

除了开放源代码的POWER ISA之外,IBM 还将提供多种其它技术,包括 POWER ISA 的软核实现(softcore implementation)、与架构无关的开放式相干加速处理器接口(OpenCAPI)、以开放式内存接口(OMI)的参考设计。

据介绍,IBM为开源社区贡献了一个新开发的软核。在很短的时间内,一位IBM工程师能够在POWER ISA上开发出一个软核,并将其安装在Xilinx FPGA上运行。这一软核实现将在本周的北美OpenPOWER峰会上得到展示。此外,OpenCAPI 和 OMI 技术也有助于最大化处理器和连接设备之间的内存带宽,对于克服 AI 等新兴工作负载的性能瓶颈至关重要。

IBM OpenPower 总经理 Ken King 表示:“随着今日的发布,IBM 正在向着通过开放技术和开源来推动整个行业的创新而迈出了重要的一步”。

值得一提的是,在2018年,IBM还耗资340多亿美元收购了Red Hat红帽公司,这是一家专注开源领域长达25年之久的软件公司。Red Hat是开源生态系统的主要玩家,以Linux发行版而闻名。而为了推动新疗法的研究进展,帮助人类更快地攻克癌症。IBM在不久前还开源了3个治疗癌症的人工智能项目。

此次POWER ISA的开源可以说是IBM对于开源社区的又一重大贡献。需要指出的是,目前OpenPOWER芯片的底层物理架构还没有开源。

OpenPOWER进入全新阶段

2013年8月,IBM联合Google、NVIDIA、Mellanox等公司成立OpenPOWER联盟,致力于将IBM的POWER系列CPU架构对外开放授权,以抗衡日益强大的Intel X86以及ARM等CPU体系的威胁。

IBM当时宣布开放了POWER架构周围技术,如处理器规格、固件、软件和技术自由许可,将和合作伙伴一起使用共享、协作开发模式。在此基础上,IBM还牵头成立了OpenPOWER基金会,旨在促进高端POWER架构的POWER8及更高版本产品发展,促进和鼓励基于IBM POWER架构的协作创新。支持成员定制POWER处理器、系统平台、固件和中间件软件,进行优化,满足其业务和组织需求。

在那时,OpenPOWER联盟成员需要支付相对高昂的许可费才能获得POWER的授权,而现在,随着POWER ISA的开源,开发者无需支付版税以及专利费就能够获得POWER ISA,并且有可能在此基础上研发出拥有专利权的技术和产品。

OpenPOWER基金会欢迎指令集的开放,认为此举对开源社区来说就是福音。OpenPOWER基金会执行董事Hugh Blemings在公告中说:“通过让POWER ISA采用开放模式......并将它提供给日益壮大的开放技术群体,我们能够帮助开放软硬件领域的创新能够加速发展。”

作为这项工作的一个延伸,IBM将使OpenPower基金会并入Linux基金会,成为其一个部门,归其管理。OpenPower基金会现在让OpenBMC、CHIPS Alliance、OpenHPC及其他多个项目和组织加入Linux基金会。将该基金会移交给业界最负盛名的开源软件组织有望提供另一股推动力,从长远来看促使OpenPOWER得到采用。

值得注意的是, 去年11月底,Linux基金会和RISC-V基金会宣布将共同合作加速推广 RISC-V ISA 的开发及采用,Linux 基金会还将为 RISC-V 生态系统提供大量资源,包括培训计划、基础工具以及社区扩展、营销和法律专业知识。这种合作关系将使 RISC-V 能够进一步发展其开源生态系统。

而现在,拥有POWER ISA的OpenPOWER基金会已成为Linux基金会的一个部门,接下来Linux基金会必然也将会大力推广POWER ISA。那么Linux基金会将如何处理这两个架构之间的竞争关系呢?这是一个需要思考的问题。

POWER ISA开源带来的机遇与挑战

有业内人士表示,IBM开源POWER ISA主要是为了应对另外两大开源处理器架构——MIPS和RISC-V的挑战。特别是RISC-V架构,自去年以来备受国内厂商追捧,并且目前已有非常多的厂商推出了基于RISC-V架构的芯片。

不过,相对于在功耗、能效上更具优势的RISC-V架构来说,IBM的POWER架构则在性能上有着较大的优势。

资料显示,早在1980年,IBM就推出了基于POWER架构的原型机。POWER架构采用的也是精简指令集(RISC)。相比X86架构,POWER架构在硬件上的最大特点是采用对称多处理器技术(Symmetric Multiprocessing,SMP),可以保障内存访问任何一个CPU时速度都是一样的。但是英特尔的X86架构做不到,它对于一个CPU访问自己部分的内存速度很快,但是在访问其他CPU的内存时速度明显变慢。这样的性能差距在高端应用中,特别是核数越多的处理器性能差距就越大。因此IBM的POWER架构主要应用于高端服务器市场而且应用前景非常广泛,在国内银行等关键行业都有重要应用。

资料显示,目前IBM最新的POWER架构处理器是POWER 9,基于14nm FinFET SOI工艺,单个核心可以支持4线程或者8线程,分别能最多配置24、12个核心,逻辑线程总数最多都是96个。并且,POWER 9还采用了一流 I/O 子系统技术,包括下一代 NVIDIA NVLink、PCIe Gen4 和 OpenCAPI 的处理器。这些顶尖技术为POWER 9带来了非凡的性能表现,最高可提供相当于X86服务器9.5倍的I/O带宽,其性能内核约为X86的两倍,支持的RAM相当于X86的2.6倍,内存带宽相当于X86的1.8倍。

目前美国能源部的超级计算机Summit和Sierra系统里面运行的就是POWER 9芯片。而根据今年6月17日在德国法兰克福举行的国际超级计算大会发布的最新全球超级计算机TOP 500名单显示,虽然美国能源部下属橡树岭国家实验室开发的“顶点”和美国能源部下属劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发的“山脊”分别夺得了第一和第二。足见IBM的POWER处理器的性能强大。

在目前国产X86架构的高性能CPU的发展遭遇较大的背景之下,可以预见的是,POWER ISA的开源或将有助于推动国产高性能CPU的发展。

2013年4月,由上海市国资委下属上海联和投资有限公司和台湾威盛集团所属公司合资成立了上海兆芯集成电路有限公司,中方国资占据控股地位(持股约80%)。上海兆芯因此也顺利从威盛那里获得了X86架构的授权。

不过,随着威盛与英特尔的X86授权协议于2018年4月到期之后,威盛已经无法在使用英特尔新的X86专利及相关软件,这也意味着兆芯未来的X86产品升级或将遇阻,虽然其可能仍然可以使用旧的X86专利。

2016年,AMD与中国天津海光先进技术投资有限公司(THATIC)成立合资公司,可以利用AMD的X86技术和 SoC IP 用于芯片开发。不过在今年6月,AMD CEO 苏姿丰( LisaSu)证实,AMD与天津海光的合作仅限于AMD的第一代 Ryzen 和 EPYC 的 Zen 架构,AMD 新推出的 Zen 2 微架构设计则无权使用。这也意味着海光后续也将无法获得新的X86专利授权以及AMD的SoC IP授权。另外,不久前美国商务部还将中科曙光及其下属的海光列入了出口管制的“实体名单”。这也使得为国产高性能X86 CPU的发展蒙上了一层阴影。

而此次IBM POWER指令集的开源,或将成为推动国产高性能CPU的发展一条新的可选之路。虽然IBM是美国企业,但是开源的POWER指令集将基本不会受到美国“禁令”的影响,这与同样源自美国的开源的RSIC-V指令集一样。

不过需要指出的是,虽然基于POWER指令集的处理器具有效率高、性能强劲等特点,但对于国内厂商来说,真要引进消化并不容易。毕竟POWER CPU相比常规处理器要复杂太多,而且IBM并未开源POWER芯片的底层物理架构,所有单纯的通过POWER指令集来开放自己的CPU还是有着很高的难度。另外在生态上,POWER也远不如Arm和X86完善。

成立于2013年的苏州中晟宏芯信息科技有限公司(下称“中晟宏芯”),其员工主要来自中科院计算所和IBM,2014年中晟宏芯在工信部电子司和苏州政府的扶持下,加入IBM发起的OpenPOWER基金会,获得IBM POWER CPU的授权,并且得到了IBM、中科院计算所提供的技术支持。在2015年6月发布了第一款IBM授权POWER架构的服务器芯片产品CP1。然而,这款芯片似乎并未得到应用,而这家企业在2015年年底就传出了“欠薪事件”。

2016年6月,中晟宏芯宣布已拿到IBM服务器处理器芯片POWER 8芯片架构和指令系统的永久授权,并可以基于该芯片进行自主创新。甚至IBM已同意中晟宏芯可以删除POWER 8的安全模块,代之以国产的安全模块系统,以符合中国政府在安全方面的监管要求。按照计划,中晟宏芯可以在2019年完全实现POWER芯片的消化吸收再创新,并制成完全国产化的POWER系列CPU。

然而到目前为止,中晟宏芯的自研POWER系列CPU仍不见踪迹。而随着现在POWER指令集的开源,中晟宏芯之前所获得的竞争优势,到现在来看已经是耗尽了大半。而对于其他国产芯片厂商来说,POWER指令集的开源,或将是一个新的机遇,但是挑战也是巨大的。

文|芯智讯(微信号:icsmart)

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