異構架構中的處理器編程

　　隨著越來越多不同類型的處理元件包含在同一架構中，對處理器進行編程變得越來越復雜。

　　雖然系統架構師可能會陶醉于可用于提高功率、性能和面積的選項數量，但編程功能并使其協同工作的挑戰將成為一項重大挑戰。它涉及來自不同IP提供商的多種編程工具、模型和方法。

　　“在任何一種邊緣推理產品中，無論是Nest相機、汽車應用中的相機，還是筆記本電腦，基本上都有三種類型的功能軟件，主要來自三種不同類型的開發人員——數據科學家、嵌入式CPU開發人員和DSP開發人員，”的首席營銷官史蒂夫·羅迪說二次曲面。

　　根據他們在開發過程中所處的位置，他們的方法可能看起來非常不同?！皵祿茖W家花時間在Python、框架培訓和數學抽象層面上做事情，”羅迪說?！癙yTorch是非常高級的、抽象的、解釋的，不太關心實現的效率，因為他們關心的只是數學中的增益函數和模型的準確性等。從那里出來的是PyTorch模型，ONNX代碼，以及嵌入PyTorch模型的Python代碼。嵌入式開發者是完全不同的性格類型。他們使用更傳統的工具集，這些工具集可能是CPU供應商的工具，或者Arm工具包，或者像Microsoft Visual Studio for C/C++開發這樣的通用工具。無論是哪種CPU，您都將獲得該特定芯片的供應商版本的開發工作室，它將帶有預構建的東西，如RTOS代碼和驅動程序代碼。如果你從某個特定的供應商那里購買芯片級的解決方案，它會有DDR和PCI接口的驅動程序，等等?！?/p>

　　例如，考慮iPhone的應用程序編程，它是高度抽象的?！癷Phone開發者有一個開發工具包，上面有很多其他軟件，”他說?！暗诤艽蟪潭壬?，這是一個嵌入式的東西。有人在編寫C代碼，有人在開發操作系統，不管是澤法還是微軟的操作系統，或者類似的東西。他們生產什么？他們產生C代碼，有時是匯編代碼，這取決于編譯器的質量。DSP開發人員也是算法開發人員，通常面向數學家，使用MATLAB或Visual Studio等工具。這里創建了三個級別的代碼。類似Python的數據科學代碼，DSP，C++，還有嵌入式代碼?！?/p>

　　從一個Android開發者的角度來看，Ronan Naughton是手臂說：“一個典型的軟件工程師可能正在開發一個移動應用程序，用于部署到多個平臺。在這種情況下，他們將尋求最低的維護開銷、無縫的可移植性和高性能，這些都可以通過無處不在的Arm CPU和支持工具鏈來提供?！?/p>

　　在Android環境中，針對CPU的編程提供了盡可能多的工具選擇。

　　“例如，”諾頓指出，“一個好的矢量化編譯器，如LLVM或GCC，可以針對多個CPU和操作系統目標。有一個豐富的面向特定功能任務的函數庫生態系統，例如面向ML的Arm計算庫?；蛘?，開發人員可以使用Arm C語言擴展等內部函數來針對指令集架構本身?！?/p>

　　在所有這些之下是一個傳統的架構，由一個NPU、DSP和CPU組成，需要所有的步驟才能到達目標主機CPU。所有或大部分都使用某種形式的運行時應用程序。

　　“如果你正在運行你的機器學習代碼，CPU會積極參與每一次推理，每一次迭代，每一次通過機器學習圖編排整個事情，”羅迪指出。

　　圖1：傳統NPU+DSP+CPU的工具/代碼流程。來源：Quadric.io

　　DSP、CPU和npu的編程方式因應用、用例、系統架構和環境而異。這將決定如何優化代碼，以實現特定應用程序或使用模型的最佳性能。

　　“在CPU上，大多數編譯器可以非常好地優化代碼，但當編程DSP或npu時，特別是并行化代碼時，大量工作必須由軟件工程師完成，因為所有編譯器都失敗了，”Andy Heinig說，他是弗勞恩霍夫協會適應性系統工程分部。這意味著硬件上的并行工作越多，軟件工程師手動完成的工作就越多。而且大部分工作都是低級編程需要的?！?/p>

　　雖然有一些重疊，但這些不同的處理元素之間也有一些基本差異?！癈PU是一種通用架構，因此支持廣泛的用途、操作系統、開發工具、庫和許多編程語言，從傳統的低級C到高級C++、Python、Web應用程序和Java，”的產品經理蓋伊·本哈姆說新思科技?！癉SP應用通常運行在優化的實時系統上，因此對DSP處理器進行編程需要使用低級語言（如匯編語言、C語言）、DSP庫和特定的編譯器/分析器，以實現數據并行、性能調整和代碼大小優化。與通用CPU不同，但與DSP類似，NPU架構也致力于加速特定任務，在這種情況下是為了加速AI/ML應用?！?/p>

　　DSP架構可以并行處理來自多個傳感器的數據。傳統的CPU或DSP編程依賴于一個程序或一套規則的算法來處理數據，而人工智能則從數據中學習，并隨著時間的推移提高其性能。

　　“人工智能使用PyTorch和TensorFlow等高級框架來創建、訓練和部署模型，”本哈姆解釋道?！?a href="http://www.qd573.com/tags/神經網絡/" target="_blank">神經網絡模型的靈感來自人腦中神經元的結構，由一個系統的數學表示組成，該系統可以根據輸入數據進行預測或決策?！?/p>

　　還有其他不同之處。Tensilica Vision和AI DSPs的產品營銷和管理小組主任Pulin Desai說，除了用C和C++等高級語言編程之外節奏，“DSP和CPU還利用各種庫，如math lib、fp lib。DSP也有一個特定的庫，用于特定的垂直領域，以執行特殊用途的應用。DSP和CPU還可以與OpenCL和Halide等高級語言一起工作，客戶可以使用這些語言來開發他們的應用?！?/p>

　　NPU編程是在完全不同的環境中使用AI訓練框架完成的。反過來，它們在TensorFlow和PyTorch中生成神經網絡代碼，并使用神經網絡編譯器為特定硬件進一步編譯網絡?！?/p>

　　“神經網絡不是‘程序化的’“他們受過訓練，”新思科技的產品經理戈爾登·庫勃說DSP和CPU以更傳統的方式編程。代碼是用C/C++寫的。然后，您需要一個IDE和調試器來測試和編輯代碼?！?/p>

　　編程模型如何工作

　　所以對于CPU和DSP，設計師會用C或C++編程，但可能會調用特定的lib api?！袄?，對于vision，代碼可能會調用OpenCV API調用，”Desai說。

　　圖2:DSP/CPU與npu上嵌入式軟件開發的比較。來源：Cadence

　　Fraunhofer的Heinig說，大多數時候，優化代碼的工作是手工完成的?！爱斏婕暗讲⑿惺褂糜布r，高級編程模型通常會失敗。但是，當然，使用具有基本高度優化功能的庫是可能的?！?/p>

　　開發一個人工智能模型是非常不同的。需要幾個步驟?！笆紫仁亲R別和準備，”新思科技的本哈姆說?！霸诖_定適合由人工智能解決的問題后，選擇正確的模型并收集將在該過程中使用的數據非常重要。其次是模特培訓。訓練模型意味著使用大量的訓練數據來優化模型，提高性能并確保準確性。第三是推理。人工智能模型部署在生產環境中，用于根據可用數據快速做出結論、預測和推斷?！?/p>

　　還有其他不同之處。大多數DSP都是矢量處理器，其架構針對高效并行處理數據陣列進行了調整?！盀榱擞行У厥褂糜布?，數據需要矢量化，”新思科技高級產品經理Markus Willems說?！爱攺臉肆看a開始時，優化編譯器可以應用某種程度的自動向量化。然而，對于絕大多數用例來說，獲得最佳結果需要程序員使用專用的矢量數據類型，以矢量化的方式編寫代碼?！?/p>

　　Willems建議，為了充分利用指令集的全部功能，通常使用內部函數。與普通的匯編編碼不同，內建函數將寄存器分配留給編譯器，這允許代碼重用和移植

　　此外，對于大多數DSP算法，設計從MATLAB開始分析功能性能（即檢查算法是否解決了問題）。對于越來越多的DSP，有一種直接的方法可以將MATLAB算法映射到矢量化DSP代碼，即使用MATLAB嵌入式編碼器和處理器專用DSP庫。

　　但為了充分利用處理器，海尼格說，有必要共同優化硬件和軟件。否則，你的解決方案將會失敗，因為你意識到設計的硬件并不完全符合問題規范時已經太晚了。如果要并行執行越來越多的操作，尤其如此?！?/p>

　　對于一個SoC架構師來說，它從什么是目標市場和目標應用開始，因為這將驅動硬件和軟件架構。

　　“在可編程性和固定硬件之間做出選擇總是一個挑戰，”Desai解釋道?！皼Q策是由成本（SoC面積）、功耗、性能、上市時間和未來需求驅動的。如果您了解您的目標應用，并希望優化功耗和面積，固定硬件是最佳選擇。一個例子是H.264解碼器。］神經網絡是不斷變化的，因此可編程性是必須的，但一種架構，其中一些功能在固定功能（硬件加速器，如NPU）中，一些在可編程CPU或DSP中，是人工智能的最佳選擇?！?/p>

　　劃分處理

　　所有這些都變得更加復雜，因為不同的設計者/程序員可能負責不同的代碼。

　　“我們在談論推理應用，但我們也在談論一個系統公司制造一個系統，”德賽說?！坝捎赟oC是通用的，可能會有人工智能開發人員開發特定的神經網絡來解決特定的問題，例如，為麥克風降低噪聲的降噪網絡，為安全攝像頭提供人員檢測網絡等。這個網絡需要轉換為可以在SoC上運行的代碼，因此您將擁有知道如何使用工具將神經網絡轉換為可以在具有CPU/DSP/NPU的SoC上啟動的代碼的程序員。但是，如果是實時應用程序，您還需要知道如何使用實時操作系統、處理器級系統軟件等的系統軟件工程師。此外，如果這是消費類設備，可能會有高級軟件開發人員開發GUI或用戶界面?！?/p>

　　對于NPU，有幾個注意事項?！笆紫?，NPU必須設計為加速人工智能工作負載，”本哈姆說?！叭斯ぶ悄?神經網絡工作負載由深度學習算法組成，這些算法在許多層中需要大量的數學和多重矩陣乘法，因此需要并行架構?！?/p>

　　他解釋說，一個好的NPU的關鍵特征之一是處理數據和快速完成操作的能力，性能以TOPS/MAC衡量?！肮β?性能/面積（成本）之間的典型半導體權衡也與NPU設計密切相關。對于自動駕駛汽車的使用，NPU的延遲是至關重要的，特別是當決定何時踩下汽車剎車是生死攸關的事情時。這也與功能安全設計考慮有關。設計團隊還必須考慮NPU設計是否符合安全要求?！?/p>

　　程序員需要考慮的另一個關鍵問題是開發和編程工具。

　　“如果沒有合適的軟件開發工具，能夠輕松地從流行的人工智能框架中導入NN/AI模型，編譯，優化它，并自動利用包括內存設計考慮在內的NPU架構，那么構建一個偉大的NPU是不夠的，”他說?！疤峁┮环N檢查模型準確性的方法以及模擬工具也很重要，這樣程序員可以在硬件存在之前就開始軟件開發和驗證。這是上市時間的一個重要考慮因素?！?/p>

　　庫珀同意了?！皀pu比DSP更接近于定制加速器，尤其是GPU或CPU，它們完全靈活。您可能不會選擇添加NPU，除非您在相當長的時間內強烈需要NN性能。我們的客戶只需要一點點人工智能，他們使用矢量DSP來實現DSP性能，并在需要時對其進行重新配置以處理人工智能，從而確保其芯片面積的最大靈活性。這很好，但不會像專用NPU那樣節能或節省面積?！?/p>

　　最后，當試圖確定圖的哪些子集適合NPU，哪些不適合時，編程挑戰就來了。［參見上面圖1的左側］

　　Quadric公司的羅迪說：“如果它不運行，它就必須在別的地方運行，所以代碼必須被拆分?！迸c此同時，還有一個存儲在內存中的輔助命令流生成器或鏈表生成器，NPU知道足夠多的信息來獲取它的命令。雖然這一部分非常簡單，但是所有不在系統上運行的部分呢？那些運營商該往哪里跑？有沒有已經存在的機器學習操作符的高效實現？如果是，它是在DSP上，還是在CPU上，如果它不存在？必須有人去創造一個新的版本。你在DSP上這樣做是因為你希望它具有高性能?，F在你必須在DSP上編碼，很多DSP缺乏好的工具，尤其是那些專門為機器學習而構建的工具。通用版本的DSP——音頻DSP或基本通用DSP——可能有兩個MAC或四個MAC類型的東西。為機器學習而構建的DSP將是非常廣泛的DSP。超寬DSP可以成為非常廣泛的激活和標準化以及數據科學中發生的事情的良好目標，但它們是新的，因此可能沒有可靠的編譯器?！?/p>

　　結論

　　在過去，這些編程世界是獨立的學科。但隨著人工智能計算越來越多地包含在設備中，以及隨著系統變得越來越異構，軟件開發人員至少需要更多地了解其他領域正在發生的事情。

　　最終，這可能成為單一硬件/軟件架構的驅動因素，允許工程團隊編寫和運行復雜的C++代碼，而不必在兩三種類型的處理器之間進行劃分。但是，如果要做到這一點，從現在到那時還有許多工作要做。鑒于人工智能和硬件架構的發展速度，尚不完全清楚該架構在準備就緒時是否仍然相關。

? ? ? 審核編輯：黃飛