2021年6月，英特爾宣布與RISC-V處理器內(nèi)核（針對(duì)CPU和協(xié)處理器）提供商SiFive合作，打造片上系統(tǒng) (SoC) 開(kāi)發(fā)平臺(tái)Horse Creek。英特爾將使用SiFive最高性能的RISC-V處理器內(nèi)核P550，并將DDR和PCIe等英特爾的其它半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 融入到設(shè)計(jì)中。Horse Creek將使用英特爾即將推出的7nm工藝，這使其成為英特爾的首款7nm產(chǎn)品。這是對(duì)RISC-V架構(gòu)潛力的極大認(rèn)可，并將進(jìn)一步推動(dòng)RISC-V架構(gòu)用于數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算 (HPC)、客戶(hù)端計(jì)算和其它的無(wú)數(shù)行業(yè)。其它芯片供應(yīng)商，如微芯、西部數(shù)據(jù)、華為和一些芯片界“新貴”已經(jīng)在產(chǎn)品路線(xiàn)圖中采用了RISC-V架構(gòu)。到2020年底，SiFive已贏得80多家公司的200多個(gè)設(shè)計(jì)訂單。Igkesmc

隨著受歡迎程度和采用率的提升，RISC-V會(huì)成為下一代CPU的首選架構(gòu)嗎？未來(lái)RISC-V是否會(huì)像主導(dǎo)服務(wù)器操作系統(tǒng)的Linux一樣，成為主導(dǎo)的CPU架構(gòu)？Igkesmc

開(kāi)放、現(xiàn)代的RISC-V架構(gòu)

RISC-V指令集架構(gòu) (ISA) 誕生于美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校，其發(fā)展至今將近十年之久。該ISA規(guī)范于2011年作為開(kāi)源規(guī)范發(fā)布，支持32、64和128位CPU。2015年， 原作者放棄了自身權(quán)利，轉(zhuǎn)而由新成立的RISC-V基金會(huì)擁有、維護(hù)和發(fā)布與RISC-V相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。但在2019年， RISC-V基金會(huì)因?yàn)閾?dān)憂(yōu)美國(guó)的貿(mào)易法規(guī)而搬到了瑞士，并更名為RISC-V International。RSIC-V International的主要成員包括阿里巴巴、華為、中興通訊和西部數(shù)據(jù)，戰(zhàn)略成員包括谷歌、IBM、英偉達(dá)、高通、三星和恩智浦。Igkesmc

RISC-V ISA的開(kāi)發(fā)人員認(rèn)為，一個(gè)開(kāi)放的ISA將為處理器設(shè)計(jì)提供一個(gè)真實(shí)、自由、開(kāi)放的市場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)以下好處：Igkesmc

• 通過(guò)由更多設(shè)計(jì)者參與的自由市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)大量的創(chuàng)新產(chǎn)生，包括ISA的開(kāi)放實(shí)現(xiàn)（相對(duì)專(zhuān)有實(shí)現(xiàn)而言）。
• 共享開(kāi)放處理器內(nèi)核設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)用縮短上市時(shí)間和降低成本，并且因?yàn)橛性S多設(shè)計(jì)者參與，這減少了設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤。此外，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的透明性，政府機(jī)構(gòu)設(shè)置秘密后門(mén)變得更加艱難。
• 處理器價(jià)格能夠被更多終端所接受，這有助于拓展物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 市場(chǎng)。

作為一款新的ISA，RISC-V的創(chuàng)作者們更加了解計(jì)算市場(chǎng)格局的演進(jìn)，并且有機(jī)會(huì)避免現(xiàn)有架構(gòu)的不足之處。為了維持穩(wěn)定的軟件基礎(chǔ)并為設(shè)計(jì)者提供靈活性，RISC-V采用了模塊化的基礎(chǔ)+擴(kuò)展模式?；A(chǔ)指令集中只包含47條指令。針對(duì)特定應(yīng)用的擴(kuò)展作為插件添加到基礎(chǔ)指令集中，這有助于減少導(dǎo)致ISA“膨脹”的舊指令。考慮到物聯(lián)網(wǎng)終端的成本敏感性和內(nèi)存限制，RISC-V還使用壓縮指令集編碼。提供128位內(nèi)存尋址目前看來(lái)似乎不大會(huì)成功，但它在十年內(nèi)可能會(huì)取得成功，因?yàn)橹辽俪笠?guī)模（hyperscale）云服務(wù)提供商將會(huì)以艾字節(jié)計(jì)算存儲(chǔ)容量。Igkesmc

RISC-V正在興起

當(dāng)前的市場(chǎng)整合、地緣政治優(yōu)先事項(xiàng)和物聯(lián)網(wǎng)終端的激增表明RISC-V的作者們提出的目標(biāo)越來(lái)越重要。事實(shí)上，這些目標(biāo)正大力推動(dòng)RISC-V得到更廣泛地采用。在數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器越來(lái)越以業(yè)務(wù)負(fù)載為中心，并且激增了大量的應(yīng)用專(zhuān)用處理器來(lái)加速業(yè)務(wù)負(fù)載和提高效率。芯片更加多樣化也為各種處理器架構(gòu)創(chuàng)造了更多機(jī)會(huì)。Igkesmc

鑒于英偉達(dá)即將收購(gòu)Arm，人們擔(dān)心美國(guó)會(huì)壟斷CPU技術(shù)公司。英特爾、AMD、IBM和英偉達(dá)都是美國(guó)公司，國(guó)家之間的地緣政治或貿(mào)易緊張局勢(shì)可能會(huì)對(duì)國(guó)家的技術(shù)主權(quán)產(chǎn)生不利影響。因此，歐盟和中國(guó)正著眼于通過(guò)RISC-V推動(dòng)計(jì)算技術(shù)主權(quán)。Igkesmc

在歐洲，RISC-V在歐洲處理器計(jì)劃 (EPI) 的推動(dòng)下獲得了巨大的發(fā)展勢(shì)頭。巴塞羅那超級(jí)計(jì)算中心正在主導(dǎo)eProcessor項(xiàng)目，旨在構(gòu)建高性能亂序RISC-V ISA處理器來(lái)用于HPC用例。該項(xiàng)目更廣泛的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)基于RISC-V架構(gòu)的開(kāi)源全棧生態(tài)（包括軟件和硬件）。該項(xiàng)目的合作者包括芯片設(shè)計(jì)公司Cortus、Thales集團(tuán)和Exascale Performance Systems。2020年，EPI構(gòu)建出一個(gè)用于高效浮點(diǎn)計(jì)算的4096核RISC-V小芯片原型Manticore。設(shè)計(jì)師表示，與其它商用CPU和GPU相比，該處理器執(zhí)行浮點(diǎn)密集型業(yè)務(wù)負(fù)載的能效是前者的五倍。Igkesmc

在俄羅斯，服務(wù)器制造商Yadro、芯片設(shè)計(jì)公司Syntacore與技術(shù)投資公司Rostec達(dá)成合作，致力于為單板計(jì)算機(jī)、平板電腦和工作站等用例構(gòu)建基于RISC-V的新CPU。它們的產(chǎn)品路線(xiàn)圖包括具有四個(gè)RISC-V內(nèi)核（時(shí)鐘頻率為1.5GHz）的12nm SoC、時(shí)鐘頻率在1.5GHz和2GHz之間的功率優(yōu)化的八核處理器以及時(shí)鐘頻率在2.5GHz和3GHz之間的64核處理器，最初采用12nm制造工藝，之后轉(zhuǎn)變?yōu)?nm。Igkesmc

在亞太地區(qū)，中國(guó)正在引領(lǐng)RISC-V技術(shù)的發(fā)展，在處理器技術(shù)方面努力實(shí)現(xiàn)自力更生。去年年底，中國(guó)半導(dǎo)體供應(yīng)商賽昉科技發(fā)布了名為天樞的64位RISC-V CPU，從而用于高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)負(fù)載。天樞是一款時(shí)鐘頻率為3.5Ghz的亂序處理器，采用臺(tái)積電7nm工藝打造。它支持亂序超標(biāo)量RVV 1.0版本擴(kuò)展指令，這是HPC急需的功能。天樞CPU還具有硬件虛擬化功能，并且支持KVM等虛擬化軟件。盡管天樞CPU還處于早期驗(yàn)證階段，但賽昉科技已經(jīng)與許多客戶(hù)簽約，其中包括服務(wù)器供應(yīng)商H3C的子公司H3C Semiconductor Technology。賽昉科技還發(fā)布了一款基于RISC-V的AI協(xié)處理器，名為驚鴻7100，針對(duì)圖像處理業(yè)務(wù)負(fù)載。另一家中國(guó)CPU供應(yīng)商龍芯中科技術(shù)公司也在開(kāi)發(fā)基于RISC-V的高性能CPU來(lái)用于HPC，該公司基于MIPS的CPU已在中國(guó)用于許多HPC系統(tǒng)。Igkesmc

還有許多中國(guó)供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)基于RISC-V的協(xié)處理器來(lái)用于機(jī)器學(xué)習(xí)等AI業(yè)務(wù)負(fù)載。Igkesmc

• 近日，北京微芯區(qū)塊鏈與邊緣計(jì)算研究院發(fā)布了基于RISC-V的96核區(qū)塊鏈加速專(zhuān)用協(xié)處理器。這款協(xié)處理器將部署在長(zhǎng)安鏈協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，這是一個(gè)擁有超過(guò)100萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)、每秒處理交易峰值突破100萬(wàn)筆的大規(guī)模區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。
• 阿里巴巴旗下半導(dǎo)體公司平頭哥推出了一款名為玄鐵910的RISC-V SoC。玄鐵910有16個(gè)基于RISC-V的64位內(nèi)核，時(shí)鐘頻率在2.0GHz到2.5GHz之間。這款CPU采用了臺(tái)積電12nm鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FinFET) 制造工藝。平頭哥還與另一家中國(guó)半導(dǎo)體公司全志科技合作來(lái)實(shí)現(xiàn)玄鐵910 CPU的商用。
• 去年，上海RISC-V CPU設(shè)計(jì)公司芯來(lái)科技獲得來(lái)自國(guó)有的中國(guó)電子科技集團(tuán)和智能手機(jī)制造商小米的1550萬(wàn)美元投資，以期推動(dòng)其RISC-V CPU的發(fā)布。
• 中國(guó)也在大力投資構(gòu)建RISC-V處理器的軟件生態(tài)。中科院軟件研究所宣布正專(zhuān)注于針對(duì)RISC-V處理器移植和優(yōu)化Linux發(fā)行版。隨著中國(guó)著眼于減少對(duì)Arm和x86 CPU的依賴(lài)，預(yù)計(jì)基于RISC-V的成熟Linux筆記本電腦將在明年年底上市。阿里云正在使其專(zhuān)有操作系統(tǒng)飛天與基于RISC-V等架構(gòu)的處理器兼容。
• 中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)等亞洲地區(qū)/國(guó)家也在大力支持RISC-V計(jì)劃。臺(tái)灣RISC-V聯(lián)盟得到聯(lián)發(fā)科、力晶、安第斯科技等公司的支持。該組織旨在通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作將RISC-V開(kāi)放架構(gòu)引入臺(tái)灣。在韓國(guó)，三星和SK Hynix投資了SiFive，并且正在研發(fā)多款RISC-V處理器。三星已經(jīng)在其5G無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中使用RISC-V SoC，并計(jì)劃開(kāi)發(fā)RISC-V協(xié)處理器來(lái)加速人工智能 (AI) 計(jì)算。

北美也對(duì)RISC-V很感興趣。Igkesmc

SiFive由RISC-V的發(fā)明者創(chuàng)立，總部位于舊金山，并且獲得了Intel Capital、Qualcomm ventures和西部數(shù)據(jù)的投資。SiFive的客戶(hù)包括谷歌、英偉達(dá)、特斯拉、高通、微芯、Marvell和Oculus。西部數(shù)據(jù)和希捷的存儲(chǔ)控制器中已經(jīng)采用了RISC-V內(nèi)核。谷歌正在其OpenTitan項(xiàng)目中利用RISC-V，該項(xiàng)目旨在通過(guò)硅芯片信任根 (RoT) 提高計(jì)算的安全性，并防御Spectre和Meltdown等安全威脅。Igkesmc

4月，AI CPU初創(chuàng)公司Tenstorrent宣布，其新款SoC將使用SiFive的64位RISC-V內(nèi)核X280，該內(nèi)核集成了512位寬的RISC-V矢量擴(kuò)展（RVV）。這是對(duì)RISC-V架構(gòu)的極大認(rèn)可，因?yàn)門(mén)enstorrent的創(chuàng)始人Jim Keller和Ljubisa Bajic均為CPU行業(yè)資深人士。Jim曾在多家公司領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)，包括在AMD主導(dǎo)研發(fā)EPYC CPU，在蘋(píng)果公司開(kāi)發(fā)定制CPU ，并在特斯拉負(fù)責(zé)研發(fā)自動(dòng)駕駛汽車(chē)定制芯片。Igkesmc

當(dāng)前，隨著英特爾的Horse Creek采用RISC-V架構(gòu)，該ISA正獲得成為未來(lái)架構(gòu)的又一個(gè)強(qiáng)大推動(dòng)力。Igkesmc

使CPU開(kāi)發(fā)普及化

RISC-V ISA最大的優(yōu)勢(shì)之一是開(kāi)源。這使它立即吸引了世界各地大學(xué)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的注意。盡管還有其它開(kāi)源ISA，例如SPARC V8或OpenRISC，但它們的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜并且具有分支延遲。該行業(yè)與學(xué)術(shù)界在RISC-V方面的合作正在促進(jìn)創(chuàng)新并構(gòu)建強(qiáng)大的RISC-V軟件生態(tài)，其中包括模擬器、用于配置和驗(yàn)證的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 工具、編譯器、引導(dǎo)加載程序、操作系統(tǒng)、管理程序、其它集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 和軟件開(kāi)發(fā)工具包 (SDK)。這些工具的可用性和開(kāi)源合作者正在加速推進(jìn)RISC-V CPU項(xiàng)目并縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。中科院的“香山”RISC-V開(kāi)源處理器不到八個(gè)月就進(jìn)入流片階段 ─ 該處理器旨在與8核ARM Cortex-A76處理器具有類(lèi)似性能。Igkesmc

圍繞RSIC-V的半導(dǎo)體IP和EDA工具市場(chǎng)也在蓬勃發(fā)展。EDA工具供應(yīng)商Micro Magic宣布，其使用16nm FinFET工藝制造的超低功耗64位RISC-V內(nèi)核在1Ghz時(shí)鐘頻率下僅消耗10mW。該供應(yīng)商表示其處理器內(nèi)核可以以5GHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，同時(shí)保持極低的功耗。此外， Andes、Bluespec、Cloudbear、Codasip、Cortus和Syntacore等許多供應(yīng)商都在提供定制的商用IP內(nèi)核和集成工具，這形成了一個(gè)RISC-V硬件生態(tài)。這使處理器能夠輕松配置一般性參數(shù)（即核心數(shù)、緩存大?。┎⑼ㄟ^(guò)自定義RTL (寄存器傳輸級(jí)) Block加以擴(kuò)展。因此，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工具已經(jīng)足以支持RISC-V架構(gòu)，不需要添加任何專(zhuān)用元素。Igkesmc

結(jié)論：RISC變得越來(lái)越受歡迎

對(duì)于新的CPU架構(gòu)，可能需要花費(fèi)一定的時(shí)間和大量精力來(lái)為各類(lèi)業(yè)務(wù)負(fù)載創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大的生態(tài)，其中包括芯片供應(yīng)商、硬件供應(yīng)商、固件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。但我們看到的市場(chǎng)趨勢(shì)是，越來(lái)越多的計(jì)算能力被當(dāng)作一種服務(wù)來(lái)消費(fèi)。這使服務(wù)提供商有機(jī)會(huì)為特定業(yè)務(wù)負(fù)載部署高度優(yōu)化的硬件，而軟件層則能夠掩蓋底層硬件的復(fù)雜性。為了使計(jì)算可持續(xù)和高效，服務(wù)提供商正對(duì)芯片層進(jìn)行優(yōu)化。這對(duì)RISC-V來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。蘋(píng)果M1芯片實(shí)現(xiàn)的CPU架構(gòu)遷移將是云服務(wù)提供商效仿的一個(gè)很好的例子。Igkesmc

短期內(nèi)，我們將看到針對(duì)高度應(yīng)用特定型業(yè)務(wù)負(fù)載的RISC-V處理器，例如HPC、AI協(xié)處理器、存儲(chǔ)控制器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理器。但歐洲和中國(guó)將RISC-V引入服務(wù)器和個(gè)人計(jì)算領(lǐng)域的一些舉措似乎很有發(fā)展前景。毫無(wú)疑問(wèn)，RISC-V要與x86、Arm甚至Power平起平坐還有很長(zhǎng)的路要走。但我們看到，這個(gè)已有6年歷史的架構(gòu)擁有強(qiáng)大的行業(yè)采用前景和發(fā)展勢(shì)頭，并且如果這一趨勢(shì)持續(xù)下去，那么在未來(lái)六到七年，RISC-V可能會(huì)成為服務(wù)器CPU的主流架構(gòu)。Igkesmc