众核 / 多核处理的软件架构

摘要：当与分布式微内核操作系统结合使用时，当今的高效众核处理器可以赋予自治系统类似人类的技能。

现代的自主机器和先进的工业自动化越来越希望具备人类特别擅长的功能，例如对象识别、上下文感知和决策制定，其中许多功能被归类为边缘设备，可以独立地捕获、过滤、分级、利用或丢弃大量信息。减少与云交流的数据量，有助于降低带宽成本，并确保时间关键流程不受延迟的影响。

应用于自动驾驶系统、工业机器人和精密工业自动化等领域通常需要确定性的实时性能，以确保控制回路的可靠性。同时，由于系统可能由电池供电或受到尺寸和重量约束 (SWaP)，电源限制也是一个严格考虑的因素。例如，汽车系统、无人机或移动机器人等应用都需要考虑以上所有因素。

尽管我们正在努力复制人脑的能力，但人脑本身在能源效率方面设定了非常高的标准。它具备广泛的技能范围和实时多任务处理能力，相当于处理性能介于 10Tera-FLOPS (10^12) 到 10Yotta FLOPS (10^25) 之间，而仅消耗约 20 瓦的能量。

传统的 CPU、DSP、GPU 和一些混合处理器，包括现有的多核处理器，尚未接近人脑在高性能和低功耗方面的组合。例如，领先的 GPU 如 Nvidia K80 (GK210) 的最高性能约为 1.87TFLOPS，但功耗高达 300W。此外，GPU 只能运行特定的专用算法，无法结合计算和通用软件的需求。

大规模并行单芯片

我们今天拥有的最好的是新兴的分布式众核处理器，其中包含大量独立内核和紧密耦合的内存，通过高速片上网络 (NOC) 基础设施互连。这种方法正在成为专业数据中心系统的主流。在嵌入式空间中也有效的一个例子是KalrayCoolidge™ 智能处理器。这是 Kalray 的第三代 MPPA®（大规模并行处理器阵列）设备。MPPA 架构确保了确定性，并使在单个芯片上制造的处理器能够运行不同的应用程序和软件环境。Coolidge 拥有 80 个独立内核，每个内核都相当于当今手机中的现代计算内核，其性能高达 25 TOPS，典型功耗为 25 瓦。

Coolidge 被认为是一种智能处理器，通常适应边缘计算的需求，尤其是高度聚合的汽车计算。它不仅能够处理 AI 算法，还可以同时执行各种工作负载，例如数学算法、信号处理以及网络或存储软件堆栈。

除了高性能和能效之外，安全和安保也是工业和汽车边缘应用的关键要求。系统中不同模块之间的免干扰（FFI）是功能安全（FuSa）设计中的一个重要原则，以及空间和时间隔离，以防止模块相互影响，并确保异常程序不会削弱其他程序的性能。

Go Multikernel to Unleash Multicore

为了最大限度地提高新兴异构众核处理器的性能，同时通过隔离和保护 (FFI) 确保安全性，需要一种新的软件方法 – 特别是汇集各种计算元素的操作系统 (OS) 架构。

多内核架构，也可以描述为“分布式微内核”的排列——与微内核操作系统不同——使这些目标触手可及。它为系统系统提供了一个平台，包含一个基于消息的单核内核网络，如图 1 所示。轻量级消息传递允许在操作系统级别进行快速、确定性的通信。

图 1. eMCOS“多内核”设计最大化异构多核架构

这种架构的一个关键特性是，任何给定内核上的内核实例都不能阻塞另一个内核上的内核实例。这同时确保了内核和应用程序级别的更好的并行性、并发性和确定性。

eSOL 的eMCOS®是一种分布式微内核操作系统，现在可以在众核处理器的每个内核上运行独立的微内核，同时为高速消息传递和其他功能提供统一的平台。图 2 说明了底层结构以及处理硬实时和软实时工作负载的能力。

图 2. eMCOS 使单个独立的微内核能够在每个内核上运行

此外，eMCOS POSIX 是一种多进程 RTOS，它提供扩展的 POSIX 支持并允许在一个或多个单独的处理器或 SoC 上进行多集群组织。来自同一进程的线程可以在集群内的任何核心组合上运行，同时与本地或远程跨集群的其他线程通信。

这种方法的一个优点是，这使得内核在设计上非常可移植。因此，它能够服务于小型内核类型，如瑞萨电子 RH850、英飞凌 Aurix™ TCxx 或基于 Cortex®-R 的 SoC，但可以适应更大的系统，如 Cortex-A SoC 或 Kalray MPPA 处理器。

将 eMCOS POSIX 和 Kalray 的 Coolidge 第三代 MPPA 处理器结合在一起，作为视觉和激光雷达处理等应用的多加速器，为先进的自动驾驶系统（包括对象跟踪和路径规划）创建了一个高性能平台。高级工业用例也触手可及，例如利用计算机视觉的视觉检查和托管在同一平台上的 AI 算法。

这种方法还可以灵活地为现有系统增加性能，作为视觉等特定功能的加速器，如图 3 所示。

图 3. 使用 eMCOS 和 MPPA 加速旧系统的性能

eMCOS 和 eMCOS POSIX 专注于聚合和可扩展性，支持混合关键性系统，如图 4 所示。

图 4. 具有混合关键性的嵌入式系统的组合

这种分布式微内核操作系统 eMCOS 的增量可扩展性使开发人员能够灵活地通过完全优化的新架构进行创新，同时还可以利用其现有平台的最佳性能方面。

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