OneAPI：天下大同

OneAPI 是英特爾在生態(tài)布局中最重要的一環(huán)，這已經(jīng)不是什么秘密了。早在 2018 年底舉行的英特爾架構(gòu)日上，英特爾的芯片首席架構(gòu)師 Raja Koduri 就對(duì)外公布了公司正在著力研發(fā)的一件“大事”：一個(gè)名為 OneAPI 的軟件編程框架。

(圖片來自 anandTech)

OneAPI：夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)？

顧名思義，OneAPI 旨在提供一個(gè)適用于各類計(jì)算架構(gòu)的統(tǒng)一編程模型和應(yīng)用程序接口。也就是說，應(yīng)用程序的開發(fā)者只需要開發(fā)一次代碼，就可以讓代碼在跨平臺(tái)的異構(gòu)系統(tǒng)上執(zhí)行，底層的硬件架構(gòu)可以是 CPU、GPU、FPGA、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，或者其他針對(duì)不同應(yīng)用的硬件加速器等等。

OneAPI 的口號(hào)是“No transistor left behind”，老石把它翻譯成“晶體管一個(gè)也不能少”，這也很形象的總結(jié)了 OneAPI 的終極目標(biāo)。

很多人在看到 OneAPI 之后的第一反應(yīng)，都是三個(gè)字：不可能。有些略顯極端的媒體甚至認(rèn)為，OneAPI 已經(jīng)超出科幻小說的范疇，實(shí)在難以置信。

這些懷疑的聲音并非毫無依據(jù)，應(yīng)用程序的跨平臺(tái)優(yōu)化一直是業(yè)界研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)之一。而 OneAPI 希望一次性解決四個(gè)硬件架構(gòu)的異構(gòu)編程問題，無異于在游戲開始就選擇了地獄難度。

夢(mèng)想還是要有的，萬一實(shí)現(xiàn)了呢？

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序的開發(fā)者來說，使用高級(jí)語(yǔ)言編程已經(jīng)成為了再平常不過的事情。試想一下，你上一次寫 C++或 Python、并需要知道特定處理器指令的操作碼是什么時(shí)候？

事實(shí)上，現(xiàn)有的高級(jí)語(yǔ)言編譯器已經(jīng)很好的將程序開發(fā)與底層的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分離開來。這使得應(yīng)用程序開發(fā)者可以專注于算法和應(yīng)用的開發(fā)，而無需關(guān)心太多底層的 CPU 究竟如何實(shí)現(xiàn)程序。

然而，隨著應(yīng)用的復(fù)雜性不斷增加，對(duì)算力的要求也逐漸加大。此時(shí)，單純依靠堆積 CPU 內(nèi)核已經(jīng)無法滿足應(yīng)用程序?qū)τ谛阅堋?shí)時(shí)性、功耗、成本等等的要求。人們開始使用越來越多的非 CPU 計(jì)算單元，比如 GPU、FPGA、以及各種針對(duì)不同應(yīng)用而開發(fā)的專用芯片等。這些硬件加速器與 CPU 一起組成了復(fù)雜的異構(gòu)平臺(tái)。

為了發(fā)揮這個(gè)異構(gòu)平臺(tái)的最大性能，開發(fā)者需要深入了解底層硬件的體系結(jié)構(gòu)，以及一系列的特定開發(fā)手段和技巧，以便針對(duì)性的利用各個(gè)異構(gòu)單元的優(yōu)勢(shì)。

拿 FPGA 來說，如果按開發(fā)軟件的思路去開發(fā) FPGA 硬件，比如使用了各種循環(huán)嵌套、多層條件分支等等，恐怕只會(huì)得到一個(gè)連時(shí)序都無法收斂的 FPGA 設(shè)計(jì)。同樣的，如果想用 GPU 做一些加速運(yùn)算，那么最好在團(tuán)隊(duì)中有人對(duì) CUDA 或 OpenCL 等有豐富的經(jīng)驗(yàn)，否則就有可能白白消耗了 GPU 的高功耗而收效甚微。

這里只有一個(gè)問題：對(duì)于普通的軟件工程師或算法工程師而言，了解和掌握這些硬件相關(guān)的開發(fā)知識(shí)幾乎是不可能的。

而這正是 OneAPI 希望解決的痛點(diǎn)（引自英特爾）：

“OneAPI 提供一個(gè)通用、開放的編程體驗(yàn)，讓開發(fā)者可以自由選擇架構(gòu)，無需在性能上作出妥協(xié)，也大大降低了使用不同的代碼庫(kù)、編程語(yǔ)言、編程工具和工作流程所帶來的復(fù)雜性”。

OneAPI：HLS 的進(jìn)化形態(tài)？

具體來說，英特爾將旗下的芯片架構(gòu)分成了 SVMS 四類，即：
標(biāo)量（Scalar）：CPU

矢量（Vector）：GPU

矩陣（Matrix）：AI 芯片

空間（Special）：FPGA

這四類架構(gòu)分別有各自的優(yōu)勢(shì)和適用范圍，同時(shí)也有著各自的編程模型和方法。

以 FPGA 為例，F(xiàn)PGA 的硬件可編程性一直是它最主要的特點(diǎn)，也是與其他硬件加速器相區(qū)分的重要特性。然而，對(duì) FPGA 進(jìn)行編程遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有聽起來那么簡(jiǎn)單，這在老石之前的文章中也詳細(xì)介紹過多次。其中最大的難點(diǎn)，就是要使用硬件描述語(yǔ)言（HDL）對(duì)電路行為進(jìn)行建模，而且這種建模往往有著比較低的抽象程度。

也就是說，F(xiàn)PGA 開發(fā)者需要將待實(shí)現(xiàn)的算法進(jìn)行分解、并行化、設(shè)計(jì)流水線，使其成為一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)通路或控制電路，同時(shí)還要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取方式、各種時(shí)鐘域的同步、進(jìn)行時(shí)序收斂等諸多優(yōu)化，以符合系統(tǒng)的功耗、吞吐量、精度、面積等需求。這還不包括電路仿真、調(diào)試，以及在軟件層面需要做的一系列工作。

這樣，為了做出一個(gè)真正優(yōu)化過的 FPGA 設(shè)計(jì)，往往需要一個(gè)有著豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作。而就算有這樣的團(tuán)隊(duì)，在處理一個(gè)再常見不過的 for 循環(huán)嵌套時(shí)，都可能花費(fèi)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的時(shí)間進(jìn)行 FPGA 的硬件實(shí)現(xiàn)與性能調(diào)優(yōu)。只需要看一下過去幾年里，各類國(guó)際頂會(huì)和期刊上有多少關(guān)于 FPGA 循環(huán)展開與優(yōu)化的論文就可見一斑了。

為了應(yīng)對(duì) FPGA 的設(shè)計(jì)復(fù)雜度過大的問題，業(yè)界通常有兩種方法：第一，盡量將優(yōu)化過的硬件設(shè)計(jì)封裝成 IP，讓使用者直接調(diào)用。第二，使用諸如高層次綜合（HLS）的方法，直接將高層語(yǔ)言描述的模型轉(zhuǎn)化為 FPGA 硬件。

HLS 一直是 FPGA 業(yè)界發(fā)展的重要方向，幾乎沒有之一。老石在之前的文章《高層次綜合 – 解鎖 FPGA 廣闊應(yīng)用的最后一塊拼圖》中曾經(jīng)詳細(xì)分析過，這里不再贅述，有興趣的讀者可以參考那篇文章。

HLS 的主要問題是，它設(shè)計(jì)的初衷是為了硬件工程師服務(wù)，而非軟件和算法開發(fā)者。因此，起碼到目前為止，在業(yè)界取得成功的 HLS 工具都需要使用者有著豐富的硬件知識(shí)。在數(shù)字電路工程師手中，HLS 工具已經(jīng)被證明可以極大的縮短設(shè)計(jì)周期，有時(shí)甚至可以得到近似或優(yōu)于人工優(yōu)化過的 RTL 代碼。然而對(duì)于軟件工程師，HLS 就好比讓 C 羅去湖人隊(duì)打籃球，固然噱頭十足，但很難得到令人滿意的成績(jī)。

OneAPI 在很大程度上可以看做是 HLS 的擴(kuò)展，但它的主要目標(biāo)受眾則是軟件和算法工程師，這也將成為 OneAPI 與其他 HLS 工具的最主要區(qū)別。OneAPI 提供了一個(gè)統(tǒng)一的軟件編程接口，使得開發(fā)者可以隨意在底層硬件之間進(jìn)行切換和優(yōu)化，而無需太多關(guān)心具體的電路結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。

DPC++語(yǔ)言與硬件加速庫(kù)

具體來說，OneAPI 的核心是一個(gè)名為 Data Parallel C++（DPC++）的編程語(yǔ)言。DPC++本質(zhì)上是 C++的擴(kuò)展，增加了對(duì) SYCL 的支持。

SYCL 由 Khronos 組織開發(fā)，它是一個(gè)在 OpenCL 上的 C++抽象層，使得用戶可以直接用簡(jiǎn)潔的 C++對(duì) GPU 等進(jìn)行開發(fā)，而無需被 OpenCL 限制。

不過，有關(guān) DPC++本身的資料目前還比較有限，尚不清楚其具體的開發(fā)方法、以及如何對(duì)異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行編程。待具體實(shí)例出現(xiàn)后，老石再進(jìn)行詳細(xì)解讀。

除了編程接口外，OneAPI 還會(huì)包含一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境、軟件庫(kù)、驅(qū)動(dòng)程序、調(diào)試工具等要素，并且這些加速庫(kù)都已經(jīng)針對(duì)底層硬件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

這種基于優(yōu)化過的加速庫(kù)的設(shè)計(jì)，和賽靈思的 Vitis 系統(tǒng)有著異曲同工之妙，而這也恰恰代表了業(yè)界發(fā)展的方向。現(xiàn)如今，生態(tài)為王，為了掌握生態(tài)和開發(fā)者，就必須盡可能多的提供各類開發(fā)庫(kù)和 IP，以便開發(fā)者專注于應(yīng)用開發(fā)，而無需重復(fù)造輪子。

(圖片來自英特爾)

為了支持 SVMS 四大類硬件架構(gòu)，OneAPI 實(shí)際上給自己設(shè)置了非常高的目標(biāo)。英特爾已經(jīng)在 2019 年四季度發(fā)布了 OneAPI 的開發(fā)者測(cè)試版。除了基本工開發(fā)工具包之外，英特爾還發(fā)布了針對(duì)高性能計(jì)算（HPC）、深度學(xué)習(xí)、IoT、以及視覺和視頻等四種領(lǐng)域?qū)Ｓ玫拈_發(fā)工具包，以期為這些特定的應(yīng)用進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。在當(dāng)前的版本中，開發(fā)者仍然需要在 SVMS 四大類中手動(dòng)指定目標(biāo)器件類別。但除此之外，OneAPI 就會(huì)自動(dòng)對(duì)目標(biāo)器件的子類別進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)語(yǔ)

兵法云，兵馬未動(dòng)，糧草先行。在技術(shù)進(jìn)步日新月異的當(dāng)代，各類 AI 芯片、硬件加速器不斷涌現(xiàn)，異構(gòu)計(jì)算已經(jīng)成為整個(gè)行業(yè)最重要的趨勢(shì)。針對(duì)這些層出不窮的新硬件，則更應(yīng)該“架構(gòu)未動(dòng)，軟件先行”。作為芯片廠商，單純提供芯片產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足市場(chǎng)和使用者的需要，只有同時(shí)提供硬件和軟件生態(tài)，才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中殺出一席之地。

老石認(rèn)為，OneAPI 是英特爾當(dāng)前最具有戰(zhàn)略意義的生態(tài)布局。相信有了諸如 OneAPI 之類的高層設(shè)計(jì)工具，軟件工程師和算法專家們就能進(jìn)一步釋放包括 FPGA 在內(nèi)的異構(gòu)系統(tǒng)的底層算力。至于 OneAPI 未來的表現(xiàn)如何，讓我們拭目以待。

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（注：本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，與任職單位無關(guān)。）