開放加速標(biāo)準(zhǔn)如何推動(dòng)安全關(guān)鍵型發(fā)展

嵌入式市場(chǎng)對(duì)圖形和計(jì)算加速的需求正在增長(zhǎng)。攝像頭和傳感器陣列在從汽車到工業(yè)等不同行業(yè)的許多用例中越來(lái)越重要，并且正在產(chǎn)生越來(lái)越豐富的數(shù)據(jù)流，需要復(fù)雜的處理。

與此同時(shí)，正在使用高質(zhì)量的3D圖形甚至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)高級(jí)用戶界面。然而，部署加速處理的需求，加上安全關(guān)鍵認(rèn)證的復(fù)雜性，造成了處理器、加速器、編譯器、API 和庫(kù)的混亂局面，推高了嵌入式加速器的集成成本，這反過(guò)來(lái)又限制了創(chuàng)新和上市效率。

開放標(biāo)準(zhǔn)在幫助硬件和軟件供應(yīng)商成功駕馭這一復(fù)雜的技術(shù)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。嵌入式市場(chǎng)的加速標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)軟件的可重用性，解耦軟件和硬件開發(fā)，以便更輕松地部署和集成新組件，提供跨代可重用性，并促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)性。這些標(biāo)準(zhǔn)可降低成本，縮短上市時(shí)間，并降低在引人注目的實(shí)際產(chǎn)品中使用推理和視覺加速等先進(jìn)技術(shù)的障礙。

克羅諾斯加速標(biāo)準(zhǔn)

20 多年來(lái)，Khronos 創(chuàng)建了開放、免版稅的 API 標(biāo)準(zhǔn)，使軟件應(yīng)用程序庫(kù)和引擎能夠利用硅加速的強(qiáng)大功能來(lái)處理 3D 圖形、增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)、并行計(jì)算、視覺處理和推理等要求苛刻的用例。

Khronos 開放、免版稅、互操作性標(biāo)準(zhǔn)

許多行業(yè)專家一致認(rèn)為，我們正面臨摩爾定律的終結(jié)，因此業(yè)界對(duì)并行計(jì)算的興趣日益濃厚，它將加速的重點(diǎn)從單核的頻率縮放轉(zhuǎn)移到使用大型內(nèi)核陣列的處理器，這些內(nèi)核可用于顯著加速數(shù)據(jù)并行算法。

從廣義上講，用于并行計(jì)算的Khronos加速標(biāo)準(zhǔn)可以分為兩組。高級(jí)編程框架（如 SYCL 和 OpenVX）專注于簡(jiǎn)化開發(fā)，并跨多個(gè)硬件架構(gòu)提供有效的性能可移植性。相比之下，OpenCL 和 Vulkan 等低級(jí) API 使用內(nèi)核和著色器程序的 SPIR-V 中間表示形式，提供對(duì)硬件資源的直接、顯式訪問，以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性和控制。

Khronos 系列計(jì)算加速標(biāo)準(zhǔn)

SYCL（發(fā)音為“sickle”）使異構(gòu)處理器的代碼能夠與主機(jī)應(yīng)用程序代碼一起編寫在“單一源”文件中，使用標(biāo)準(zhǔn)C++在各種硬件上進(jìn)行便攜式加速。SYCL 通常會(huì)將要卸載到加速處理器上的C++應(yīng)用程序部分編譯為較低級(jí)別的 API，例如 OpenCL。

OpenVX（VX代表“視覺加速”）提供了一個(gè)圖形級(jí)抽象，通過(guò)連接一組函數(shù)或“節(jié)點(diǎn)”來(lái)構(gòu)建成像和推理功能。這種高度抽象使芯片供應(yīng)商能夠有效地優(yōu)化其 OpenVX 驅(qū)動(dòng)程序，以便在幾乎任何處理器架構(gòu)上高效執(zhí)行。OpenVX 圖可以結(jié)合視覺處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全局優(yōu)化，并可以直接攝取 Khronos NNEF 格式的完整訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，這為來(lái)自不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架的開源轉(zhuǎn)換器提供了穩(wěn)定的規(guī)范。

Vulkan是用于高效、跨平臺(tái)訪問現(xiàn)代 GPU 的唯一開放標(biāo)準(zhǔn)。Vulkan 可以使用計(jì)算著色器以及圖形渲染來(lái)加速任何兼容 GPU 上的計(jì)算操作。Vulkan 為下一代 3D 圖形和計(jì)算的開發(fā)人員帶來(lái)了許多好處，包括更簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序、直接和顯式的 GPU 控制、用于多線程應(yīng)用程序的多個(gè)圖形、命令和 DMA 隊(duì)列，以及用于多種著色語(yǔ)言的離線前端編譯器。

OpenCL是一種低級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，用于對(duì) PC、服務(wù)器、移動(dòng)設(shè)備和嵌入式設(shè)備（包括 GPU、DSP 和 FPGA）中的各種異構(gòu)處理器進(jìn)行跨平臺(tái)并行編程。OpenCL 提供基于 C 和C++的語(yǔ)言來(lái)編程內(nèi)核程序，這些內(nèi)核程序可以在系統(tǒng)中的任何處理器上并行編譯和執(zhí)行，并顯式控制在哪些處理器上執(zhí)行哪些內(nèi)核。OpenCL 通過(guò)提供更簡(jiǎn)單的編程模型、相對(duì)輕量級(jí)的運(yùn)行時(shí)、更高的語(yǔ)言靈活性以及更嚴(yán)格定義的計(jì)算操作精度來(lái)補(bǔ)充僅 GPU 的 API。

旨在簡(jiǎn)化功能安全認(rèn)證的 API

安全認(rèn)證在許多市場(chǎng)中至關(guān)重要，例如汽車、自動(dòng)駕駛、醫(yī)學(xué)成像、運(yùn)輸、工業(yè)、能源和航空電子設(shè)備。計(jì)算或顯示子系統(tǒng)故障會(huì)造成重大安全風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)需要系統(tǒng)級(jí)功能安全認(rèn)證并符合安全標(biāo)準(zhǔn)，如RTCADO-178CA 級(jí)/EASA ED-12C A 級(jí)（航空電子設(shè)備）、ISO 26262ASIL D（汽車）、IEC 61508（工業(yè)）和 IEC 62304（醫(yī)療），并遵守 MISRA 和 AUTOSAR 等行業(yè)組織的指南。

這些市場(chǎng)對(duì)高級(jí)加速圖形和計(jì)算的需求正在增長(zhǎng)，這些加速器必須包含在系統(tǒng)級(jí)安全認(rèn)證中。安全認(rèn)證的高成本正在推動(dòng)開放標(biāo)準(zhǔn)加速API的開發(fā)，這些API旨在通過(guò)消除嵌入式市場(chǎng)不必要的功能來(lái)減少API表面積，增加運(yùn)行時(shí)確定性，并提供強(qiáng)大的錯(cuò)誤處理，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)認(rèn)證過(guò)程。

Khronos 在為安全關(guān)鍵市場(chǎng)調(diào)整主流加速 API 方面擁有 20 年的歷史，從 2003 年的 OpenGL SC 1.0 開始。這些計(jì)劃利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的 API，這些 API 具有多個(gè)交付芯片實(shí)現(xiàn)，并且開發(fā)人員已經(jīng)熟悉這些 API。

Khronos 安全關(guān)鍵型 3D API 的歷史

最近發(fā)布的 Vulkan SC 1.0 簡(jiǎn)化了 Vulkan SC 1.2 API，并提高了運(yùn)行時(shí)確定性。Vulkan SC 管道可以離線編譯和靜態(tài)分析，以了解數(shù)據(jù)流和內(nèi)存使用情況。然后，可以在設(shè)備創(chuàng)建時(shí)將管道執(zhí)行所需的內(nèi)存保留為固定大小的池，以最大程度地減少總體內(nèi)存使用量并避免需要運(yùn)行時(shí)內(nèi)存分配。Vulkan SC 使部署 GPU 加速圖形和計(jì)算的系統(tǒng)實(shí)施者能夠滿足安全關(guān)鍵義務(wù)，并以更低的成本和工作量提供認(rèn)證證據(jù)包。Vulkan SC 對(duì)于實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)也是非常寶貴的，即使沒有經(jīng)過(guò)正式的安全認(rèn)證。

OpenVX 具有安全關(guān)鍵型配置文件，能夠快速部署經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使用 OpenVX 作為推理引擎，非常適合安全關(guān)鍵型市場(chǎng)。OpenVX 安全關(guān)鍵型配置文件通過(guò)啟用運(yùn)行時(shí)攝取已脫機(jī)預(yù)編譯的二進(jìn)制圖定義，將 OpenVX 圖的開發(fā)與其執(zhí)行分開，從而最大限度地減少運(yùn)行時(shí) API 外圍應(yīng)用和運(yùn)行時(shí)大小。OpenVX規(guī)范也帶有功能需求標(biāo)簽號(hào)，OpenVX標(biāo)頭符合MISRA-C標(biāo)準(zhǔn)。

Khronos最近還成立了SYCL安全關(guān)鍵探索論壇，以調(diào)查行業(yè)對(duì)通用并行編程API的要求，以便在安全關(guān)鍵市場(chǎng)中使用SYCL的標(biāo)準(zhǔn)C++單源編程模型加速計(jì)算。以硬件為中心的 API 設(shè)計(jì)越來(lái)越多地與復(fù)雜的編譯器技術(shù)融合，在利用硅加速進(jìn)行計(jì)算加速時(shí)，帶來(lái)了顯著的新水平的可編程靈活性和可移植性。SYCL SC探索論壇正處于發(fā)現(xiàn)階段，以便在開始標(biāo)準(zhǔn)化工作之前充分了解行業(yè)要求并達(dá)成共識(shí)。任何公司都被邀請(qǐng)免費(fèi)加入探索論壇，并且沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)許可義務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn)組織協(xié)同工作

行業(yè)中有許多標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織（SDO），每個(gè)組織都有自己的專業(yè)領(lǐng)域，因此SDO必須建立富有成效的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，以避免重復(fù)工作，并確保來(lái)自不同組織的不同標(biāo)準(zhǔn)能夠很好地協(xié)同工作。

Khronos最近宣布與AUTOSAR建立聯(lián)絡(luò)，AUTOSAR是汽車電子，半導(dǎo)體和軟件行業(yè)的汽車制造商，供應(yīng)商，服務(wù)提供商和公司的全球開發(fā)合作伙伴關(guān)系。這項(xiàng)新的合作協(xié)議鼓勵(lì)富有成效的信息流動(dòng)，同時(shí)尊重兩個(gè)組織的保密性和知識(shí)產(chǎn)權(quán)框架。它使Khronos成員能夠獲得有關(guān)AUTOSAR活動(dòng)的信息和見解，反之亦然。最終目標(biāo)是針對(duì)AUTOSAR用例和需求指導(dǎo)和影響Khronos標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，并使AUTOSAR平臺(tái)能夠有效地利用這些Khronos API。

在過(guò)去的兩年中，Khronos還與歐洲機(jī)器視覺協(xié)會(huì)（EMVA）密切合作，建立了Khronos相機(jī)工作組，該工作組目前正在構(gòu)建一個(gè)新的開放標(biāo)準(zhǔn)API，用于控制嵌入式相機(jī)。

復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器和視覺處理器的發(fā)展正在加速，嵌入式系統(tǒng)通常將相機(jī)傳感器與獨(dú)立系統(tǒng)中的圖像、視覺和推理加速器緊密集成。雖然上面概述的Khronos API可用于視覺和推理加速，但沒有一個(gè)廣泛采用的開放標(biāo)準(zhǔn)跨供應(yīng)商API來(lái)簡(jiǎn)化新相機(jī)子系統(tǒng)的軟件集成，導(dǎo)致相機(jī)技術(shù)不必要的高集成成本。

對(duì)開放標(biāo)準(zhǔn)相機(jī) API 的需求

Khronos和EMVA成員正在設(shè)計(jì)的Camera API將通過(guò)精確定義的接口提供對(duì)相機(jī)運(yùn)行時(shí)的應(yīng)用程序，庫(kù)和框架的顯式控制，該接口可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序代碼的跨供應(yīng)商可移植性，并簡(jiǎn)化新相機(jī)和傳感器的系統(tǒng)集成。此 API 還將保留跨多代相機(jī)和傳感器的應(yīng)用程序代碼，并支持對(duì)傳感器流生成的復(fù)雜控制，以提高下游處理的有效性。

Khronos Camera API 目前在設(shè)計(jì)中的范圍

參與構(gòu)建所需的開放標(biāo)準(zhǔn)

嵌入式產(chǎn)品中越來(lái)越多地使用計(jì)算、視覺和推理加速正在帶來(lái)重大的新商機(jī)，Khronos 正在開發(fā)一系列不斷增長(zhǎng)的開放、免版稅 API 標(biāo)準(zhǔn)，以滿足嵌入式和安全關(guān)鍵市場(chǎng)快速發(fā)展的需求。

審核編輯：郭婷