HPC系统的电源控制器，RISC-V也来插一脚？

电子发烧友网报道（文/周凯扬）对于近几年推出的HPC系统来说，高能效已经成了大家无法规避的话题，就连TOP500上的超算，比如排名第一的超级计算机，美国能源部下属国家实验室的Frontier系统，也凭借单机柜原型机在GREEN500能效榜上拿下第一，整个系统拿下了第二的成绩。与十多年前的那些HPC系统相比，现在的设计不仅是在性能上不可同日而语，连能效比也提升了百倍以上。
 
能做到如此高的能效，除了CPU、GPU本身的设计外，也要归功于先进的冷却系统和电源管理。对于已经走向多核异构时代的HPC系统而言，系统级别的电源与热管理尤为重要，而且还得做到精心调校、针对负载进行智能调整的动态电源管理。
 
已有的电源控制器方案
 
针对不同的CPU系统，市面上已经有了不少商用电源控制器，比如英特尔的CPU有用于C-States管理的电源控制单元（PCU），ARM有帮助应用处理器卸载电源与系统管理任务的系统控制处理器（SCP）和可管理控制处理器（MCP），AMD有采集传感数据进行快速调整的系统管理单元（SMU），IBM的Power处理器有片上控制器（OCC）等。
 
然而，不少已有的方案都是基于单核心的MCU打造的，在面对单片核心数越来越多以及逐渐普及的Chiplet设计时，这些方案就因为缺乏扩展性而显得力不从心了。除此之外，主办的尺寸、布局和成本的因素，进一步限制了HPC处理器本身的片上电源管理。正因如此，在拥有庞大核心数量的HPC系统上，我们需要一个可扩展的控制器方案。
 
在这些要求下，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）的集成系统实验室就基于开源的RISC-V架构，打造了这样一个拥有并行控制规则计算加速的电源控制器IP——ControlPULP。
 
可扩展的电源控制器
 
ControlPULP采用了九核的设计，一个单核管理器核心，和8核的加速器簇来加速电源控制固件的工作负载，而这九个核心全部基于CV32E40P，这是一个32位4级流水线的RISC-V开源核心，由瑞士苏黎世联邦理工学院和意大利博罗尼亚大学合作的PULP平台维护，他们也将CV32E40P捐献给了开放硬件联盟OpenHW。

ControlPULP架构 / 瑞士苏黎世联邦理工学院

 
此外，ControlPULP集成了一个直接内存访问引擎，用于获取片上传感器的数据，还有一个uDMA引擎，用于支持基于标准电源管理接口（比如电压调节总线AVSBUS/PMBUS）的片外外围设备以及通过I2C或MTCP协议的BMC通信。至于底层控制策略的调度，则靠PULP平台自己开发的开源FreeRTOS来实现。
 
在其电源控制策略中，ControlPULP主要负责两大主要控制任务，一个是定期控制任务，一个是电源控制任务。定期控制任务结合温度传感器、功耗传感器内的数据，以及目标频率、预期负载和总功耗预算等数据，来进行电源调度和热管理。电源控制任务则是通过PMBUS/AVSBUS获得的电压轨功耗和BMC通信来完成快速电源控制。
 
根据他们测试的结果，这种多核加速器簇的结构相较过去的单核方案来说，在控制策略的执行速度上快了5倍，而且集成在HPC处理器中并不会占用多大的面积。他们在格芯的GF22FDX工艺下得到的综合结果中，ControlPULP所占处理器面积甚至不到百分之一。
 
开源电源控制器的未来
 
ControlPULP作为一个软硬件完全开源的集成IP方案，不少人担心是否真的会有人将其投入商用，事实上，这样的案例已经快要面世了。根据ETH透露，欧洲处理器计划（EPI）的先行者，法国企业SiPearl的E级HPC芯片，72核的Rhea处理器就将集成ControlPULP。

在Rhea原型主板上进行FPGA仿真验证 / 瑞士苏黎世联邦理工学院

 
不过，这还只是ControlPULP迈出的第一步，未来PULP团队还计算完成65nm的流片来进一步开展硬件验证，并探索更先进的预测性电源控制策略。但不管怎么说，这都是首个RISC-V的HPC电源控制器方案，RISC-V在HPC市场也需要更多的亮相，而不仅仅只是作为加速器。