[实用新型]具有结合的CPU和GPU的芯片器件，相应的主板和计算机系统

说明书

技术领域

本实用新型大体上涉及一种计算机系统，具体地说，涉及一种具有结合的CPU(中央处理单元)和GPU(图形处理单元)的芯片器件，一种包括配置成与具有结合的CPU和GPU的芯片器件连接的芯片插口的相应主板和一种包括结合的CPU和GPU的计算机系统。

背景技术

计算机长期以来就包含CPU，其设计用于运行常规的编程任务。但是，计算机系统典型地也包括其他处理元件，最普通的是GPU，其最初设计用于并行地执行专业的图形计算。随着时间的推移，GPU已经变得更加强大和用途广泛，进而允许将它们以非常优异的功效应用于处理通用的并行计算任务。

今天，越来越多的主流应用程序要求仅仅通过高度并行计算就能够实现高性能和高效率。但是，现在的CPU和GPU被设计成独立的处理单元，不能高效地协同工作，并且编程起来非常繁琐。它们每个都具有单独的内存空间，进而需要应用程序明确地将数据从CPU复制到GPU，然后再返回来。

在CPU上运行的程序通过设备驱动器堆栈利用系统调用来使得针对GPU的任务列队等待，所述设备驱动器堆栈通过完全独立的调度程序来管理。这导致明显的具有系统开销(overhead)的调度延迟，所述系统开销只有在应用程序需要的并行计算量非常大的时候才使得这种处理过程是合算的。此外，如果在GPU上运行的程序想要直接产 生工作条目的话，不管是针对它本身还是针对CPU，这在今天都是不能实现的。

同时，现有的计算系统通常包括多个处理设备。例如，一些计算系统包括处于单独的芯片上的CPU和GPU(例如，CPU可以位于主板上，而GPU可以位于显卡上)或者处于单个芯片封装中的CPU和GPU。

这种分散的芯片布局使得系统和软件设计师需要使用芯片到芯片接口，以便每个处理器访问内存。这些外部的接口(例如芯片到芯片的接口)对使异构处理器协同工作的内存延迟和功率消耗都具有负面影响，单独的内存系统(例如单独的寻址空间)和驱动器管理的共享内存使得系统开销变得不可接受。

不仅分散的芯片布局而且单个的芯片布局都可能限制能够被发送给GPU用于执行的命令的类型。这种基于性能的限制存在是因为CPU可以相对快速地请求由这些计算命令所生成的操作的结果。但是，由于现有系统中GPU上的调度工作的系统开销大并且这些命令可能不得不排队等待以便其他先前发起的命令先被执行，所以由于将计算命令发送给GPU所导致的延迟通常是不可接受的。

实用新型内容

为了解决这些缺陷和其他缺点，本实用新型提供一种改善的计算机系统，其将CPU与GPU结合在一起并且使得它们能够共同地高效工作。所述改善的计算机系统具有增强的浮点数据处理和计算能力，并且同时降低了功耗，并且使得所述系统的性能、可编程性和可移植性得到改善。

为了实现所述改善的计算机系统，提出了异构系统架构(HSA)。所述HSA是一种系统架构，其允许加速器(例如图形处理器)在与系统的CPU相同的处理水平上运行。利用HSA，应用程序可 以在单个统一的寻址空间内创建数据结构，并且能够以最高效的方式针对所分配的任务在硬件上发起工作条目。在计算单元之间共享数据就像发送指针一样简单。多个计算任务可以在相同的相干(coherent)内存区域上运行，能够根据需要使用分界线和原子内存(barriers and atomic memory)操作以便保持数据同步。

在实施本实用新型的第一方面的示例性实施方式中，提供了一种芯片器件。所述芯片器件包括：CPU，其具有多个内核；GPU，其具有多个计算单元；系统内存，其连接至所述CPU和所述GPU；内存管理单元(MMU)，其连接至所述系统内存并且由所述CPU和所述GPU共享；其中，所述CPU和所述GPU集成在一起并且在共享的内存中以相干的方式运行。

作为本实用新型的一个方面，提供统一的寻址空间供所述CPU和所述GPU使用，以避免数据复制。所述统一的寻址空间允许包含指针的数据结构，所述指针能够由所述CPU和所述GPU自由使用。这使得在所述CPU与所述GPU之间共享资源变得更加容易，并且消除了通信延迟和瓶颈，否则的话这些通信延迟和瓶颈可能会使得GPU卸载没必要复杂化的事务。