什么是軟硬件融合？

編者按

跟很多朋友交流，當(dāng)提到軟硬件融合的時(shí)候，他們會(huì)這么說(shuō)：“軟硬件融合，難道不是顯而易見嗎？我感覺在二三十年前就已經(jīng)有這個(gè)概念了?！痹谒麄兊南敕ɡ铮鋵?shí)：軟硬件融合等同于軟硬件協(xié)同，甚至等同于軟硬件結(jié)合。他們混淆了軟硬件結(jié)合、軟硬件協(xié)同和軟硬件融合的概念。

今天這篇文章，就跟大家詳細(xì)介紹一下軟硬件融合的概念和內(nèi)涵，以及軟硬件融合和軟硬件協(xié)同、軟硬件結(jié)合之間的區(qū)別和聯(lián)系。

1、背景知識(shí)：軟硬件協(xié)同的發(fā)展

傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟硬件劃分不夠仔細(xì)，軟硬件是緊耦合的，相互掣肘。這即是我們經(jīng)常說(shuō)的“軟硬件結(jié)合”的設(shè)計(jì)思路。在系統(tǒng)規(guī)模較小的時(shí)候，遇到的問題不多，即使遇到問題，調(diào)整的代價(jià)也不高，可以承受。

但隨著系統(tǒng)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方法開始暴露問題：

硬件/軟件劃分在還未充分理解系統(tǒng)的情況下進(jìn)行，很容易產(chǎn)生設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；

軟硬件劃分的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響；

而受開發(fā)周期和糾正代價(jià)的影響，難以糾正在軟硬件劃分階段的錯(cuò)誤。

系統(tǒng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，量變引起質(zhì)變，傳統(tǒng)的軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)的問題逐漸凸顯。需要升級(jí)設(shè)計(jì)方法論，需要從軟硬件結(jié)合，走向軟硬件協(xié)同。

軟硬件協(xié)同是1990s提出的概念，強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)劃分之前，需要深刻的理解系統(tǒng)，并且經(jīng)過(guò)非常仔細(xì)的系統(tǒng)分析和架構(gòu)映射，慎重而準(zhǔn)確的進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件劃分。

軟硬件劃分是為了軟硬件協(xié)同，因此軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在劃分之前，而不是在劃分之后。劃分之前，深度思考軟硬件工作劃分的準(zhǔn)確，確?！敖涌凇鼻逦?、高效，確保軟硬件充分地協(xié)同。劃分（解耦）之后，沒有了相互掣肘，軟硬件都可以充分創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的功能/性能。

傳統(tǒng)的軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)，適合于小系統(tǒng)；而軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，適合于大系統(tǒng)。軟硬件協(xié)同，是用于大系統(tǒng)的、統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法論。軟硬件協(xié)同可以充分利用已有軟硬件資源，使得效率最大化，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

2、軟硬件融合的根基

2.1 軟硬件劃分，暨處理器類型劃分

世間萬(wàn)物由基本粒子組成，復(fù)雜處理由基本計(jì)算組成。軟硬件劃分指的是，軟件和硬件通過(guò)一定的“接口”解耦，而指令（集）則是軟件和硬件的“接口”。指令的復(fù)雜度（計(jì)算粒度或密度）決定了系統(tǒng)的軟硬件解耦程度。

ISA（指令集架構(gòu)）之下，CPU、GPU等各種處理器是硬件；ISA之上，各種程序、數(shù)據(jù)集、文件等是軟件。

按照指令的復(fù)雜度，典型的處理器平臺(tái)大致分為CPU、協(xié)處理器、GPU、FPGA、DSA、ASIC。從左往右，單位計(jì)算越來(lái)越復(fù)雜。性能越來(lái)越好，而靈活性越來(lái)越低。

CPU、GPU、DSA等各種類型的處理器，本質(zhì)上是在不同層次的軟硬件解耦基礎(chǔ)上的軟硬件協(xié)同。

2.2 分層分塊的系統(tǒng)

系統(tǒng)由分層分塊的各個(gè)組件，即工作任務(wù)（Workloads），有機(jī)組成。整個(gè)系統(tǒng)，是一個(gè)分層的體系：每一層都建立在下面一層的基礎(chǔ)之上，每一層再通過(guò)特定的接口向上一層提供服務(wù)；同一層中，模塊也可以通過(guò)接口向其他模塊提供服務(wù)。

多個(gè)小系統(tǒng)組成大系統(tǒng)，多個(gè)大系統(tǒng)再組成宏系統(tǒng)；反過(guò)來(lái)，宏系統(tǒng)可以分解成多個(gè)大系統(tǒng)，每個(gè)大系統(tǒng)還可以再分解成多個(gè)小系統(tǒng)。

3、軟硬件融合

3.1 首先，軟硬件融合是一種設(shè)計(jì)理念

CPU、GPU等標(biāo)準(zhǔn)化的處理器已經(jīng)成為我們主流的計(jì)算平臺(tái)，也已經(jīng)擁有了非常龐大的生態(tài)。在這些軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化解耦的平臺(tái)上，芯片工程師僅需要關(guān)注芯片的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，軟件工程師僅需要關(guān)注軟件開發(fā)。大家并行不悖的各種努力工作，平臺(tái)“長(zhǎng)年不變”，是一種非常舒服但又不可能的理想的狀態(tài)。

事物發(fā)展不會(huì)停滯。CPU已經(jīng)存在了50多年，性能早已見頂；GPU也有20多年的歷史，性能增長(zhǎng)也相當(dāng)緩慢。大模型應(yīng)用通常需要上萬(wàn)張GPU加速卡，據(jù)說(shuō)GPT5需要5萬(wàn)張GPU卡。上層業(yè)務(wù)應(yīng)用日新月異，已有的硬件平臺(tái)已經(jīng)無(wú)法滿足我們的需要。

是時(shí)候打破已有的軟硬件界限了！

沒有條條框框的限制，回到系統(tǒng)的本源，重新思考系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重新構(gòu)建新的更復(fù)雜的軟硬件協(xié)同。這就是我們所強(qiáng)調(diào)的軟硬件融合！

3.2 從軟硬件結(jié)合、軟硬件協(xié)同到軟硬件融合

軟硬件協(xié)同是上世紀(jì)90年代的產(chǎn)物，到現(xiàn)在已經(jīng)有了30年左右的時(shí)間。上層的業(yè)務(wù)系統(tǒng)早已經(jīng)翻天地覆，系統(tǒng)規(guī)模增加了成百上千倍，很難對(duì)如此復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的軟硬件劃分。

于是，軟硬件融合應(yīng)運(yùn)而生。

我們把軟硬件結(jié)合面向的系統(tǒng)稱之為小系統(tǒng)，把軟硬件協(xié)同面向的系統(tǒng)稱之為大系統(tǒng)，那么軟硬件融合則面向宏系統(tǒng)。

宏系統(tǒng)可以拆分成系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)需要軟硬件協(xié)同，并且各個(gè)系統(tǒng)間還需要再協(xié)同，眾多的軟硬件協(xié)同組成的新的軟硬件交互機(jī)制，即為軟硬件融合。

軟硬件協(xié)同，面向單個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算場(chǎng)景；軟硬件融合，面向多個(gè)系統(tǒng)混合的復(fù)雜計(jì)算場(chǎng)景。因此，軟硬件融合面向的系統(tǒng)規(guī)模，通常是軟硬件協(xié)同面向的系統(tǒng)規(guī)模的10+倍。

從軟硬件協(xié)同到軟硬件融合：軟硬件協(xié)同，是單系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的方法學(xué)；軟硬件融合，是多系統(tǒng)復(fù)雜計(jì)算軟硬件設(shè)計(jì)的方法學(xué)。

3.3 軟硬件融合的內(nèi)涵

如果我們把工作任務(wù)映射到一個(gè)或多個(gè)處理引擎：

定義一個(gè)一維的坐標(biāo)系：在這個(gè)坐標(biāo)系里，CPU是100%的軟件，ASIC是100%的硬件。其他處理器引擎介于兩者之間，是不同比例軟硬件的混合態(tài)。

動(dòng)態(tài)均衡+極限拉扯：根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)，把之映射到最合適的處理器引擎。類似拔河一樣動(dòng)態(tài)的、極限的拉扯到極致，而不是簡(jiǎn)單的天平一般的平衡。

工作任務(wù)處理器引擎的動(dòng)態(tài)性：工作任務(wù)最合適的處理引擎，并非一成不變，而是隨著系統(tǒng)發(fā)展有可能下沉(Offload)/上浮(Onload)。

需要注意的是，這里的基于軟硬件引擎的工作任務(wù)分層，跟系統(tǒng)工作任務(wù)的分層是不同的概念。

軟硬件融合不改變系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和組件間交互關(guān)系，但打破傳統(tǒng)軟硬件的界限，系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的重構(gòu)軟硬件劃分/協(xié)同，達(dá)到整體最優(yōu)。

在傳統(tǒng)軟硬件的系統(tǒng)里，分層是非常清晰的：下層硬件上層軟件。軟硬件融合的分層分塊，每個(gè)任務(wù)都是不同層次軟硬件解耦基礎(chǔ)上的再協(xié)同；并且，在不同工作任務(wù)的軟硬件協(xié)同基礎(chǔ)上，再實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)之間的協(xié)同。

從全局看，整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出：軟件中有硬件，硬件中有軟件，軟硬件融合成一個(gè)有機(jī)的整體。

3.4 軟硬件融合的趨勢(shì)

受限于目前：

一方面，業(yè)務(wù)對(duì)算力的強(qiáng)勁需求；

另一方面，CPU、GPU等傳統(tǒng)的靈活型的處理器性能逐漸瓶頸；

此外，量子等顛覆性新技術(shù)進(jìn)展緩慢，短期內(nèi)芯片底層工藝不太可能顛覆式創(chuàng)新。

因此，在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)，軟硬件融合的主要趨勢(shì)，是工作任務(wù)逐漸從軟件向硬件卸載。

哪些工作任務(wù)適合卸載？“無(wú)規(guī)模，不卸載(Offload) ”，超大的規(guī)模是工作任務(wù)卸載的前提。因此，我們可以總結(jié)適合卸載的工作任務(wù)的兩個(gè)基本特征：（1）性能敏感，占據(jù)較多CPU資源；（2）廣泛部署，運(yùn)行于眾多計(jì)算設(shè)備。

宏觀的看，分層的系統(tǒng)，越上層越靈活軟件成分越多，越下層越固定硬件成分越多；與此同時(shí)，隨著系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，復(fù)雜分層的系統(tǒng)，其“二八定律”的特征越發(fā)明顯。于是，許多底層的工作任務(wù)逐漸穩(wěn)定并且逐步卸載到硬件（被動(dòng)趨勢(shì)）。

此外，通過(guò)軟硬件融合的架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使得“硬件”更加靈活，功能也更加強(qiáng)大，從而更多的層次功能加速向“硬件”卸載（主動(dòng)搶占）。

4、軟硬件融合總結(jié)

軟硬件融合，既是理論和理念，也是方法和解決方案。

軟硬件融合系統(tǒng)中的每一個(gè)工作任務(wù)，都是在軟硬件均衡/解耦基礎(chǔ)上的再協(xié)同。軟硬件融合系統(tǒng)的每個(gè)工作任務(wù)之間的連接（軟件之間、軟硬件之間以及硬件之間的連接）和調(diào)用均具有極致的性能和靈活性。軟硬件融合系統(tǒng)，能夠兼顧軟件的靈活性和硬件的高性能，實(shí)現(xiàn)既要又要。

軟硬件融合落地為CPU、GPU、DSA等多種處理引擎充分協(xié)同的異構(gòu)融合計(jì)算。

軟硬件融合承上啟下，從產(chǎn)品定義和系統(tǒng)架構(gòu)開始，逐步拓展到整個(gè)系統(tǒng)棧。

軟硬件融合的必要性和必然性：

理論根基：①CPU到ASIC的不同層次的軟硬件劃分，②系統(tǒng)的分層分塊。

落地條件：③“二八規(guī)律”廣泛存在；④超大規(guī)模的計(jì)算。

驅(qū)動(dòng)力量：⑤算力需求數(shù)量級(jí)提升，⑥先進(jìn)工藝和封裝支撐超大規(guī)模的芯片。

軟硬件融合的意義：

讓硬件更加靈活、彈性、可擴(kuò)展，彌補(bǔ)硬件和軟件之間的鴻溝；

應(yīng)對(duì)人工智能、云/邊緣計(jì)算及超級(jí)終端等復(fù)雜場(chǎng)景的挑戰(zhàn)；

解決芯片一次性成本過(guò)高導(dǎo)致的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；

等等。