原标题：用于安全关键图形、视觉和计算的开放标准加速API

　　部署加速处理的需求，加上安全关键认证的复杂性，造成处理器、加速器、编译器、API 和库的混乱局面。

　　嵌入式市场对图形和计算加速的需求正在增长。摄像头和传感器阵列在从汽车到工业等不同行业的许多用例中越来越重要，并且正在生成需要复杂处理的越来越丰富的数据流。与此同时，正在开发使用高质量 3D 图形甚至增强现实技术的高级用户界面。然而，部署加速处理的需求，再加上安全关键认证的复杂性，造成了处理器、加速器、编译器、API 和库的混乱局面。这推高了嵌入式加速器的集成成本，进而限制了创新和上市时间效率。

　　开放标准在帮助硬件和软件供应商驾驭这种复杂的技术环境方面发挥着重要作用。嵌入式市场的加速标准可以实现跨平台软件可重用性、解耦软件和硬件开发以便更轻松地部署和集成新组件、提供跨代可重用性并促进现场可升级性。这些标准降低了成本，缩短了上市时间，并降低了在引人注目的现实产品中使用推理和视觉加速等先进技术的障碍。

　　Khronos 加速标准

　　20 多年来，Khronos 一直在创建开放、免版税的 API 标准，使软件应用程序库和引擎能够利用硅加速的力量来满足要求苛刻的用例，例如 3D 图形、增强和虚拟现实、并行计算、视觉处理和推理。

　　Khronos的开放、免版税的互操作性标准

　　随着业界为许多专家警告即将终结的摩尔定律做准备，人们对并行计算的兴趣越来越大。并行计算将加速的重点从单核的频率缩放转移到使用可用于加速数据并行算法的大型核阵列的处理器上。

　　从广义上讲，并行计算的 Khronos 加速标准可以分为两组。高级编程框架(例如 SYCL 和 OpenVX)专注于简化开发，并具有跨多个硬件架构的有效性能可移植性。相比之下，OpenCL 和 Vulkan 等低级 API 使用内核和着色器程序的 SPIR-V 中间表示，提供对硬件资源的直接、显式访问，以实现最大的灵活性和控制。

　　Khronos 系列计算加速标准

　　SYCL(发音为“sickle”)使异构处理器的代码能够与主机应用程序代码一起编写在“单一源”文件中，使用标准 C++ 在各种硬件上进行便携式加速。SYCL 通常会将要卸载到加速处理器上的 C++ 应用程序部分编译成较低级别的 API，例如 OpenCL。

　　OpenVX(VX 代表视觉加速)通过连接一组函数或“节点”提供图形级抽象来构建成像和推理功能。高度抽象使芯片供应商能够优化其 OpenVX 驱动程序，以便在几乎任何处理器架构上高效执行。OpenVX 图可以结合视觉处理和神经网络节点进行全局优化，并且可以直接摄取 Khronos 的 NNEF 格式的完整训练网络，该格式通过来自不同神经网络框架的开源转换器提供稳定的规范。

　　Vulkan 是对现代 GPU 进行高效、跨平台访问的唯一开放标准。Vulkan 可以使用计算着色器和图形渲染来加速任何兼容 GPU 上的计算操作。Vulkan 为下一代 3D 图形和计算平台的开发人员带来的好处包括更简单的驱动程序;直接和明确的 GPU 控制;用于多线程应用程序的多个图形、命令和 DMA 队列;和用于多种着色语言的离线前端编译器。

　　Khronos 安全关键 3D API 的历史

　　OpenCL 是一种低级标准，用于对 PC、服务器、移动设备和嵌入式设备(包括 GPU、DSP 和 FPGA)中的各种异构处理器进行跨平台并行编程。OpenCL 提供基于 C 和 C++ 的语言来编写内核程序，这些程序可以在系统中的任何处理器上并行编译和执行，并明确控制在哪些处理器上执行哪些内核。OpenCL 通过提供更简单的编程模型、相对轻量级的运行时、增加的语言灵活性和更严格定义的计算操作精度来补充纯 GPU 的 API。

　　简化功能安全认证

　　安全认证在汽车、自动驾驶、医学成像、运输、工业、能源和航空电子设备等市场中至关重要。计算或显示子系统故障会带来重大安全风险的系统需要系统级功能安全认证并符合安全标准，例如 RTCA DO-178C A 级/EASA ED-12C A 级(航空电子设备)、ISO 26262 ASIL D (汽车)、IEC 61508(工业)和 IEC 62304(医疗)，并遵守汽车行业软件可靠性协会 (MISRA) 和汽车开放系统架构 (AUTOSAR) 等行业组织的指导方针。

　　这些市场对高级加速图形和计算的需求正在增长，加速器必须包含在系统级安全认证中。安全认证的高昂成本推动了开放标准加速 API 的开发，以简化系统级认证流程。这些方法通过消除嵌入式市场不必要的功能、增加运行时确定性并提供强大的错误处理来减少 API 表面积。

　　从 2003 年的 OpenGL SC 1.0 开始，Khronos 拥有 20 年为安全关键市场调整主流加速 API 的历史。这些举措利用了经过验证的 API，这些 API 得到了多种出货芯片实现的支持，并且开发人员已经熟悉这些 API。

　　最近发布的 Vulkan SC 1.0 简化了 Vulkan SC 1.2 API 并提高了运行时确定性。Vulkan SC 管道可以离线编译和静态分析，以了解数据流和内存使用情况。然后可以在设备创建时将管道执行所需的内存保留为固定大小的池，以最大限度地减少总体内存使用量并避免运行时内存分配的需要。Vulkan SC 使系统实施者能够部署 GPU 加速的

　　图形和计算来满足安全关键义务，并以更低的成本和工作量提供认证证据包。即使没有正式的安全认证，它对于实时嵌入式应用程序也是非常宝贵的。

　　OpenVX 的安全关键配置文件支持快速部署经过训练的神经网络模型，使用 OpenVX 作为推理引擎，非常适合安全关键市场。OpenVX 安全关键配置文件通过将 OpenVX 图的开发与其执行分开，最大限度地减少了运行时 API 表面积和运行时大小。这是通过使运行时能够摄取已离线预编译的二进制图定义来实现的。OpenVX 规范还使用功能要求标签编号进行了注释，并且 OpenVX 标头符合 MISRA C 指南。

　　Khronos 最近成立了 SYCL 安全关键探索论坛，以调查在安全关键市场中使用 SYCL 标准 C++ 单源编程模型加速计算的通用并行编程 API 的行业要求。以硬件为中心的 API 设计越来越多地与复杂的编译器技术融合，在利用硅加速进行计算加速时，带来了更高水平的可编程灵活性和可移植性。SYCL SC 探索性论坛处于发现阶段，以便在开始标准化工作之前了解行业要求并就行业要求达成共识。任何公司都被邀请免费加入探索论坛，并且没有知识产权许可义务。

　　标准组织一起工作

　　行业中有许多标准开发组织 (SDO)，每个组织都有自己的专业领域。因此，SDO 必须建立富有成效的联络关系，以避免重复工作并确保来自不同组织的不同标准能够很好地协同工作。

　　Khronos 最近宣布与汽车电子、半导体和软件行业的汽车制造商、供应商、服务提供商和公司的 AUTOSAR 全球发展伙伴关系建立联系。合作协议鼓励信息的有效流动，同时尊重两个组织的机密性和知识产权框架。它使 Khronos 成员能够接收有关 AUTOSAR 活动的信息和见解，反之亦然。最终目标是让 AUTOSAR 用例和要求指导和影响 Khronos 标准的发展，并使 AUTOSAR 平台能够有效地利用这些 Khronos API。

　　在过去两年中，Khronos 还与欧洲机器视觉协会 (EMVA) 密切合作，建立了 Khronos 相机工作组，该工作组现在正在构建用于控制嵌入式相机的开放标准 API。

　　对开放标准相机 API 的需求

　　复杂的光学系统、图像传感器和视觉处理器的发展正在加速，嵌入式系统通常将相机传感器与图像、视觉和推理加速器紧密集成到独立的系统中。虽然上述 Khronos API 可用于视觉和推理加速，但没有广泛采用的、开放标准的、跨供应商的 API 来简化新相机子系统的软件集成。这种缺乏导致相机技术的集成成本过高。

　　Khronos 和 EMVA 成员正在设计的相机 API 将通过精确定义的接口为应用程序、库和框架提供对相机运行时间的显式控制，从而实现应用程序代码的跨供应商可移植性，并更轻松地与新相机和传感器进行系统集成。新的 API 还将跨多代相机和传感器保留应用程序代码，并将实现对传感器流生成的复杂控制，以提高下游处理的效率。

　　目前正在设计的 Khronos 相机 API 的范围

　　在嵌入式产品中越来越多地使用计算、视觉和推理加速带来了重要的新商机，Khronos 正在开发一系列不断扩大的开放、免版税的 API 标准，以满足嵌入式和安全关键市场快速发展的需求. Khronos 致力于为公司提供一个安全的空间，让他们在开放标准上进行合作，从而使他们自己的业务和更广泛的行业受益。

　　如果您的公司希望在这些标准化活动中发表意见和投票，或者如果您希望在您的芯片上实施 Khronos 标准或在您的系统设计中使用 Khronos 标准，Khronos 欢迎您的参与。

　　本文最初发表在 EE Times Europe上。

　　Neil Trevett is vice president of Developer Ecosystems at Nvidia and the elected president of the Khronos Group.