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

OneAPI：夢想照進現實？

顧名思義，OneAPI 旨在提供一個適用于各類計算架構的統(tǒng)一編程模型和應用程序接口。也就是說，應用程序的開發(fā)者只需要開發(fā)一次代碼，就可以讓代碼在跨平臺的異構系統(tǒng)上執(zhí)行，底層的硬件架構可以是 CPU、GPU、FPGA、神經網絡處理器，或者其他針對不同應用的硬件加速器等等。

OneAPI 的口號是“No transistor left behind”，老石把它翻譯成“晶體管一個也不能少”，這也很形象的總結了 OneAPI 的終極目標。

很多人在看到 OneAPI 之后的第一反應，都是三個字：不可能。有些略顯極端的媒體甚至認為，OneAPI 已經超出科幻小說的范疇，實在難以置信。

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

夢想還是要有的，萬一實現了呢？

對于大多數應用程序的開發(fā)者來說，使用高級語言編程已經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候？

事實上，現有的高級語言編譯器已經很好的將程序開發(fā)與底層的計算機體系結構分離開來。這使得應用程序開發(fā)者可以專注于算法和應用的開發(fā)，而無需關心太多底層的 CPU 究竟如何實現程序。

然而，隨著應用的復雜性不斷增加，對算力的要求也逐漸加大。此時，單純依靠堆積 CPU 內核已經無法滿足應用程序對于性能、實時性、功耗、成本等等的要求。人們開始使用越來越多的非 CPU 計算單元，比如 GPU、FPGA、以及各種針對不同應用而開發(fā)的專用芯片等。這些硬件加速器與 CPU 一起組成了復雜的異構平臺。

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

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，恐怕只會得到一個連時序都無法收斂的 FPGA 設計。同樣的，如果想用 GPU 做一些加速運算，那么最好在團隊中有人對 CUDA 或 OpenCL 等有豐富的經驗，否則就有可能白白消耗了 GPU 的高功耗而收效甚微。

這里只有一個問題：對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的開發(fā)知識幾乎是不可能的。

而這正是 OneAPI 希望解決的痛點（引自英特爾）：

“OneAPI 提供一個通用、開放的編程體驗，讓開發(fā)者可以自由選擇架構，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、編程語言、編程工具和工作流程所帶來的復雜性”。

OneAPI：HLS 的進化形態(tài)？

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

矢量（Vector）：GPU

矩陣（Matrix）：AI 芯片

空間（Special）：FPGA

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

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

也就是說，FPGA 開發(fā)者需要將待實現的算法進行分解、并行化、設計流水線，使其成為一個個數據通路或控制電路，同時還要設計數據的存儲和讀取方式、各種時鐘域的同步、進行時序收斂等諸多優(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，為了做出一個真正優(yōu)化過的 FPGA 設計，往往需要一個有著豐富設計經驗的團隊協(xié)同合作。而就算有這樣的團隊，在處理一個再常見不過的 for 循環(huán)嵌套時，都可能花費長達數月的時間進行 FPGA 的硬件實現與性能調優(yōu)。只需要看一下過去幾年里，各類國際頂會和期刊上有多少關于 FPGA 循環(huán)展開與優(yōu)化的論文就可見一斑了。

為了應對 FPGA 的設計復雜度過大的問題，業(yè)界通常有兩種方法：第一，盡量將優(yōu)化過的硬件設計封裝成 IP，讓使用者直接調用。第二，使用諸如高層次綜合（HLS）的方法，直接將高層語言描述的模型轉化為 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 廣闊應用的最后一塊拼圖》中曾經詳細分析過，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，它設計的初衷是為了硬件工程師服務，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。在數字電路工程師手中，HLS 工具已經被證明可以極大的縮短設計周期，有時甚至可以得到近似或優(yōu)于人工優(yōu)化過的 RTL 代碼。然而對于軟件工程師，HLS 就好比讓 C 羅去湖人隊打籃球，固然噱頭十足，但很難得到令人滿意的成績。

OneAPI 在很大程度上可以看做是 HLS 的擴展，但它的主要目標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行切換和優(yōu)化，而無需太多關心具體的電路結構和細節(jié)。

DPC++語言與硬件加速庫

具體來說，OneAPI 的核心是一個名為 Data Parallel C++（DPC++）的編程語言。DPC++本質上是 C++的擴展，增加了對 SYCL 的支持。

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

不過，有關 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、以及如何對異構系統(tǒng)進行編程。待具體實例出現后，老石再進行詳細解讀。

除了編程接口外，OneAPI 還會包含一個完整的開發(fā)環(huán)境、軟件庫、驅動程序、調試工具等要素，并且這些加速庫都已經針對底層硬件進行了優(yōu)化設計。

這種基于優(yōu)化過的加速庫的設計，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?，F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)庫和 IP，以便開發(fā)者專注于應用開發(fā)，而無需重復造輪子。

為了支持 SVMS 四大類硬件架構，OneAPI 實際上給自己設置了非常高的目標。英特爾已經在 2019 年四季度發(fā)布了 OneAPI 的開發(fā)者測試版。除了基本工開發(fā)工具包之外，英特爾還發(fā)布了針對高性能計算（HPC）、深度學習、IoT、以及視覺和視頻等四種領域專用的開發(fā)工具包，以期為這些特定的應用進行針對性的優(yōu)化。在當前的版本中，開發(fā)者仍然需要在 SVMS 四大類中手動指定目標器件類別。但除此之外，OneAPI 就會自動對目標器件的子類別進行優(yōu)化。

結語

兵法云，兵馬未動，糧草先行。在技術進步日新月異的當代，各類 AI 芯片、硬件加速器不斷涌現，異構計算已經成為整個行業(yè)最重要的趨勢。針對這些層出不窮的新硬件，則更應該“架構未動，軟件先行”。作為芯片廠商，單純提供芯片產品已經無法滿足市場和使用者的需要，只有同時提供硬件和軟件生態(tài)，才能在激烈的競爭中殺出一席之地。

老石認為，OneAPI 是英特爾當前最具有戰(zhàn)略意義的生態(tài)布局。相信有了諸如 OneAPI 之類的高層設計工具，軟件工程師和算法專家們就能進一步釋放包括 FPGA 在內的異構系統(tǒng)的底層算力。至于 OneAPI 未來的表現如何，讓我們拭目以待。

OneAPI 相關的技術資料和編程指南，已上傳至知識星球“老石談芯 - 進階版”，請在文末掃碼進入星球查看。

（注：本文僅代表作者個人觀點，與任職單位無關。）

審核編輯 黃昊宇