Heterogeneous System Architecture

Die Heterogenous System Architecture (kurz HSA, ehemals Fusion System Architecture)^[1] ist ein von AMD entwickeltes Prozessorkonzept, um Haupt- und Grafikprozessor möglichst effizient auf einem Computerchip (Die) zu vereinen und dadurch das Ausführen von spezialisierten Programmen zu beschleunigen. Dies soll unter anderem die Gesamtleistung von APUs (Accelerated Processing Unit) deutlich steigern. Hauptmerkmal von HSA ist, dass die CPU-Kerne und der Grafikprozessor auf einen gemeinsamen Adressraum und Speicher (RAM) zugreifen.

Geschichte

AMD kündigte das HSA-Programm auf dem AFDS (AMD Fusion Developer Summit) 2011 an, mit dem Ziel die Verarbeitungsgeschwindigkeit diverser Aufgaben immens zu beschleunigen. Wegen Markenrechtsschwierigkeiten mit Arctic (unter anderem bekannt für CPU- und GPU-Kühler) musste AMD das damals noch FSA (Fusion System Architecture) genannte Programm in HSA umbenennen.

Auf dem AFDS 2012 kündigte AMD die Gründung der sogenannten HSA Foundation an, bei der AMD mit anderen Chipentwicklern an einem gemeinsamen Konzept der HSA arbeiten wollte. Mitglieder der HSA Foundation sind unter anderen ARM und Texas Instruments.^[2]

Zukünftig plant AMD in Zusammenarbeit mit ARM, die Softwareindustrie stärker dazu zu bewegen, ihre Produkte auf HSA zu optimieren und evtl. zusätzlich noch mehrere Hardwarehersteller zu gewinnen.

Gründer der HSA Foundation

Technisches

Das Konzept der HSA beruht darauf, dass der Grafikteil von APUs allgemeine Aufgaben (GPGPU) übernehmen und dadurch spezielle Rechenoperationen beschleunigen kann. Die Grafikeinheit ist mit C++ und OpenCL programmierbar. Das Entwicklungspaket "HSA SDK" soll zusätzlich als Abstraktionsebene die "HSA intermediate language" (HSAIL) anbieten, um C++-Code für die APU zu optimieren. Ebenso erhält diese Zwischenschicht die Kompatibilität zwischen unterschiedlichen APUs.

Die aktuell höchste Ausbaustufe von HSA im Desktop- und Notebookmarkt ist die Kaveri APU, die Kohärenz im Speicher gewährleisten kann und auch AMDs "Heterogeneous Uniform Memory Access" (hUMA) beherrscht.

Die GPU wird verwendet, da diese mit ihren parallelen Ausführungseinheiten sehr gut Gleitkommarechenoperationen schnell und effizient ausführen können. Im Gegensatz zur normalen CPU bieten diese nämlich viel mehr Gleitkommaeinheiten. Aktuelle CPUs bieten bei AMD nur eine Gleitkommaeinheit pro Modul (AMD Bulldozer Architektur) und bei Intel nur eine Gleitkommaeinheit pro Kern (Intel-Sandybridge-Architektur').

Merkmale

Die Merkmale eines Prozessors mit HSA-Unterstützung sind, dass der Grafikprozessor und Hauptprozessor auf demselben Computerchip vereint sind. Dies erleichtert den schnelleren Datenaustausch zwischen den beiden Einheiten, und somit kann man softwareseitig Aufgaben stark beschleunigen. Unter anderem verringert dies die Komplexität von Rechner-Hauptplatinen, da dort kein Extra-Grafikchip mehr aufgelötet zu werden braucht. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass im Endausbaustadium der Grafikteil einen kohärenten Speicher und gemeinsamen Adressraum aufweist und mit C++ bzw. OpenCL programmierbar ist. Dies hat AMD bereits in seinen Kaveri-APUs mit Graphics-Core-Next-Grafikarchitektur integriert. Auch können Chipfertiger über die HSA 3rd-Party-IP-Bestandteile in ihre Mikrochips integrieren. Dies ist so bei der Nachfolgergeneration der stromsparenden ("low power") Chips auf Basis der Jaguar-Architektur. Dort ist beispielsweise die ARM TrustedZone direkt in den x86-Chip integriert.

Aktuelles

AMD plant diverse Einheiten von Dritten wie z. B. ARM in ihre APUs (mit zusätzliche ARM Cores)^[3] hinzuzufügen und somit die APU dem Verwendungszweck perfekt anzupassen. Die nächste Ausbaustufe von HSA sind die Kaveri APUs, die kohärenten Speicher und einen gemeinsamen Adressraum von CPU und GPU bieten. Sie sind mit 2–4 Steamroller (Nachfolger von Piledriver) Cores und Graphics Core Next (neueste Grafikchipgeneration von AMD) Grafikteil ausgestattet.^[4] Sony kündigte im Februar 2013 an, in ihrer PlayStation 4 x86 Prozessoren mit AMDs "Jaguar" als CPU- und Graphics Core Next als GPU-Architektur zu verwenden. Diese APUs sind wie Kaveri die dritte Ausbaustufe von der HSA und haben als Kabini bzw. Temash im Low-End Desktop- und Notebookmarkt bzw. im Tabletmarkt die aktuellen APUs, basierend auf der Bobcat-Architektur, abgelöst.

Software

Softwaremäßig wird HSA jetzt schon durch einige große Softwarehäuser wie Adobe unterstützt, die z. B. diverse Funktionen in Adobe Photoshop via OpenCL auf dem Grafikteil laufen lassen. Dies ist nicht nur ein Vorteil für APUs, sondern auch für Intel-Prozessoren, die mit ihrer "HD 2500.- und "HD4000"-GPU OpenCL auf der GPU ausführen können^[5], als auch für Nvidia mit ihren Grafikkarten. Ins Hintertreffen gerät dem gegenübergestellt aber NVIDIAs Eigenentwicklung CUDA. Auch wird von der PGI (The Portland Group) geplant, einen entsprechenden HSA-Compiler in Partnerschaft von AMD zu entwickeln, mit dem man ohne viel eigenes Zutun Programme kompilieren kann, die durch die HSA Erweiterungen beschleunigt werden.^[6]^[7]

Prozessoren mit HSA-Unterstützung

Übersicht der Prozessoren mit HSA-Unterstützung
Entwickler	CPU-Architektur	GPU-Architektur	Befehlssatz	Codename	Veröffentlichungsdatum	Fertigung
AMD	AMD Jaguar	Graphics Core Next	x86 (AMD64)	Playstation 4 SoC	2013	28nm
AMD	AMD Steamroller			Kaveri	2014
AMD	AMD Puma+			Mullins & Beema
AMD	ARM Cortex A57		ARMv8 (64-bit)	Seattle
AMD	AMD Steamroller		x86 (AMD64)	Godavari	2015
AMD	AMD Excavator			Carrizo
AMD	AMD Puma+			Carrizo-L
AMD	AMD Zen			n/a	2016	14nm
AMD	AMD K12		ARMv8 (64-bit)	n/a	2016	14nm