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Omdia:RISC架構變得越來越受歡迎

2021 6 月,英特爾宣布與 RISC-V 處理器內核(針對 CPU 和協處理器)提供商 SiFive 合作,打造片上系統 (SoC) 開發平臺 Horse Creek。英特爾將使用 SiFive 最高性能的 RISC-V 處理器內核 P550,并將 DDR PCIe 等英特爾的其它半導體知識產權 (IP) 融入到設計中。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 產品。這是對 RISC-V 架構潛力的極大認可,并將進一步推動 RISC-V 架構用于數據中心、高性能計算 (HPC)、客戶端計算和其它的無數行業。其它芯片供應商,如微芯、西部數據、華為和一些芯片界新貴已經在產品路線圖中采用了 RISC-V 架構。到 2020 年底,SiFive 已贏得 80 多家公司的 200 多個設計訂單。

隨著受歡迎程度和采用率的提升,RISC-V 會成為下一代 CPU 的首選架構嗎?未來 RISC-V 是否會像主導服務器操作系統的 Linux 一樣,成為主導的 CPU 架構?

開放、現代的 RISC-V 架構

RISC-V 指令集架構 (ISA) 誕生于美國加州大學伯克利分校,其發展至今將近十年之久。該 ISA 規范于 2011 年作為開源規范發布,支持 3264 128 CPU2015 年, 原作者放棄了自身權利,轉而由新成立的 RISC-V 基金會擁有、維護和發布與 RISC-V 相關的知識產權。但在 2019 年, RISC-V 基金會因為擔憂美國的貿易法規而搬到了瑞士,并更名為 RISC-V InternationalRSIC-V International 的主要成員包括阿里巴巴、華為、中興通訊和西部數據,戰略成員包括谷歌、IBM、英偉達、高通、三星和恩智浦。

RISC-V ISA 的開發人員認為,一個開放的 ISA 將為處理器設計提供一個真實、自由、開放的市場,從而實現以下好處:

  • 通過由更多設計者參與的自由市場競爭促進大量的創新產生,包括 ISA 的開放實現(相對專有實現而言)。
  • 共享開放處理器內核設計,通過設計復用縮短上市時間和降低成本,并且因為有許多設計者參與,這減少了設計上的錯誤。此外,因為設計的透明性,政府機構設置秘密后門變得更加艱難。
  • 處理器價格能夠被更多終端所接受,這有助于拓展物聯網 (IoT) 市場。

作為一款新的 ISARISC-V 的創作者們更加了解計算市場格局的演進,并且有機會避免現有架構的不足之處。為了維持穩定的軟件基礎并為設計者提供靈活性,RISC-V 采用了模塊化的基礎 + 擴展模式。基礎指令集中只包含 47 條指令。針對特定應用的擴展作為插件添加到基礎指令集中,這有助于減少導致 ISA“膨脹的舊指令。考慮到物聯網終端的成本敏感性和內存限制,RISC-V 還使用壓縮指令集編碼。提供 128 位內存尋址目前看來似乎不大會成功,但它在十年內可能會取得成功,因為至少超大規模(hyperscale)云服務提供商將會以艾字節計算存儲容量。

RISC-V 正在興起

當前的市場整合、地緣政治優先事項和物聯網終端的激增表明 RISC-V 的作者們提出的目標越來越重要。事實上,這些目標正大力推動 RISC-V 得到更廣泛地采用。在數據中心,服務器越來越以業務負載為中心,并且激增了大量的應用專用處理器來加速業務負載和提高效率。芯片更加多樣化也為各種處理器架構創造了更多機會。

鑒于英偉達即將收購 Arm,人們擔心美國會壟斷 CPU 技術公司。英特爾、AMDIBM 和英偉達都是美國公司,國家之間的地緣政治或貿易緊張局勢可能會對國家的技術主權產生不利影響。因此,歐盟和中國正著眼于通過 RISC-V 推動計算技術主權。

在歐洲,RISC-V 在歐洲處理器計劃 (EPI) 的推動下獲得了巨大的發展勢頭。巴塞羅那超級計算中心正在主導 eProcessor 項目,旨在構建高性能亂序 RISC-V ISA 處理器來用于 HPC 用例。該項目更廣泛的目標是創建一個基于 RISC-V 架構的開源全棧生態(包括軟件和硬件)。該項目的合作者包括芯片設計公司 CortusThales 集團和 Exascale Performance Systems2020 年,EPI 構建出一個用于高效浮點計算的 4096 RISC-V 小芯片原型 Manticore。設計師表示,與其它商用 CPU GPU 相比,該處理器執行浮點密集型業務負載的能效是前者的五倍。

在俄羅斯,服務器制造商 Yadro、芯片設計公司 Syntacore 與技術投資公司 Rostec 達成合作,致力于為單板計算機、平板電腦和工作站等用例構建基于 RISC-V 的新 CPU。它們的產品路線圖包括具有四個 RISC-V 內核(時鐘頻率為 1.5GHz)的 12nm SoC、時鐘頻率在 1.5GHz 2GHz 之間的功率優化的八核處理器以及時鐘頻率在 2.5GHz 3GHz 之間的 64 核處理器,最初采用 12nm 制造工藝,之后轉變為 7nm

在亞太地區,中國正在引領 RISC-V 技術的發展,在處理器技術方面努力實現自力更生。去年年底,中國半導體供應商賽昉科技發布了名為天樞的 64 RISC-V CPU,從而用于高性能計算和數據中心業務負載。天樞是一款時鐘頻率為 3.5Ghz 的亂序處理器,采用臺積電 7nm 工藝打造。它支持亂序超標量 RVV 1.0 版本擴展指令,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 還處于早期驗證階段,但賽昉科技已經與許多客戶簽約,其中包括服務器供應商 H3C 的子公司 H3C Semiconductor Technology。賽昉科技還發布了一款基于 RISC-V AI 協處理器,名為驚鴻 7100,針對圖像處理業務負載。另一家中國 CPU 供應商龍芯中科技術公司也在開發基于 RISC-V 的高性能 CPU 來用于 HPC,該公司基于 MIPS CPU 已在中國用于許多 HPC 系統。

還有許多中國供應商正在開發基于 RISC-V 的協處理器來用于機器學習等 AI 業務負載。

  • 近日,北京微芯區塊鏈與邊緣計算研究院發布了基于 RISC-V 96 核區塊鏈加速專用協處理器。這款協處理器將部署在長安鏈協作網絡中,這是一個擁有超過 100 萬個節點、每秒處理交易峰值突破 100 萬筆的大規模區塊鏈網絡。
  • 阿里巴巴旗下半導體公司平頭哥推出了一款名為玄鐵 910 RISC-V SoC。玄鐵 910 16 個基于 RISC-V 64 位內核,時鐘頻率在 2.0GHz 2.5GHz 之間。這款 CPU 采用了臺積電 12nm 鰭式場效應晶體管 (FinFET) 制造工藝。平頭哥還與另一家中國半導體公司全志科技合作來實現玄鐵 910 CPU 的商用。
  • 去年,上海 RISC-V CPU 設計公司芯來科技獲得來自國有的中國電子科技集團和智能手機制造商小米的 1550 萬美元投資,以期推動其 RISC-V CPU 的發布。

中國也在大力投資構建 RISC-V 處理器的軟件生態。中科院軟件研究所宣布正專注于針對 RISC-V 處理器移植和優化 Linux 發行版。隨著中國著眼于減少對 Arm x86 CPU 的依賴,預計基于 RISC-V 的成熟 Linux 筆記本電腦將在明年年底上市。阿里云正在使其專有操作系統飛天與基于 RISC-V 等架構的處理器兼容。

中國臺灣和韓國等亞洲地區 / 國家也在大力支持 RISC-V 計劃。臺灣 RISC-V 聯盟得到聯發科、力晶、安第斯科技等公司的支持。該組織旨在通過產學研合作將 RISC-V 開放架構引入臺灣。在韓國,三星和 SK Hynix 投資了 SiFive,并且正在研發多款 RISC-V 處理器。三星已經在其 5G 無線電設備中使用 RISC-V SoC,并計劃開發 RISC-V 協處理器來加速人工智能 (AI) 計算。

北美也對 RISC-V 很感興趣。

  • SiFive RISC-V 的發明者創立,總部位于舊金山,并且獲得了 Intel CapitalQualcomm ventures 和西部數據的投資。SiFive 的客戶包括谷歌、英偉達、特斯拉、高通、微芯、Marvell Oculus。西部數據和希捷的存儲控制器中已經采用了 RISC-V 內核。谷歌正在其 OpenTitan 項目中利用 RISC-V,該項目旨在通過硅芯片信任根 (RoT) 提高計算的安全性,并防御 Spectre Meltdown 等安全威脅。
  • 4 月,AI CPU 初創公司 Tenstorrent 宣布,其新款 SoC 將使用 SiFive 64 RISC-V 內核 X280,該內核集成了 512 位寬的 RISC-V 矢量擴展(RVV)。這是對 RISC-V 架構的極大認可,因為 Tenstorrent 的創始人 Jim Keller Ljubisa Bajic 均為 CPU 行業資深人士。Jim 曾在多家公司領導研發,包括在 AMD 主導研發 EPYC CPU,在蘋果公司開發定制 CPU ,并在特斯拉負責研發自動駕駛汽車定制芯片。
  • 當前,隨著英特爾的 Horse Creek 采用 RISC-V 架構,該 ISA 正獲得成為未來架構的又一個強大推動力。

使 CPU 開發普及化

RISC-V ISA 最大的優勢之一是開源。這使它立即吸引了世界各地大學和學術機構的注意。盡管還有其它開源 ISA,例如 SPARC V8 OpenRISC,但它們的設計更加復雜并且具有分支延遲。該行業與學術界在 RISC-V 方面的合作正在促進創新并構建強大的 RISC-V 軟件生態,其中包括模擬器、用于配置和驗證的電子設計自動化 (EDA) 工具、編譯器、引導加載程序、操作系統、管理程序、其它集成開發環境 (IDE) 和軟件開發工具包 (SDK)。這些工具的可用性和開源合作者正在加速推進 RISC-V CPU 項目并縮短產品開發周期。中科院的香山”RISC-V 開源處理器不到八個月就進入流片階段 該處理器旨在與 8 ARM Cortex-A76 處理器具有類似性能。

圍繞 RSIC-V 的半導體 IP EDA 工具市場也在蓬勃發展。EDA 工具供應商 Micro Magic 宣布,其使用 16nm FinFET 工藝制造的超低功耗 64 RISC-V 內核在 1Ghz 時鐘頻率下僅消耗 10mW。該供應商表示其處理器內核可以以 5GHz 的時鐘頻率運行,同時保持極低的功耗。此外, AndesBluespecCloudbearCodasipCortus Syntacore 等許多供應商都在提供定制的商用 IP 內核和集成工具,這形成了一個 RISC-V 硬件生態。這使處理器能夠輕松配置一般性參數(即核心數、緩存大小)并通過自定義 RTL (寄存器傳輸級) Block 加以擴展。因此,現有的設計工具已經足以支持 RISC-V 架構,不需要添加任何專用元素。

結論:RISC 變得越來越受歡迎

對于新的 CPU 架構,可能需要花費一定的時間和大量精力來為各類業務負載創建一個強大的生態,其中包括芯片供應商、硬件供應商、固件、操作系統和應用軟件。但我們看到的市場趨勢是,越來越多的計算能力被當作一種服務來消費。這使服務提供商有機會為特定業務負載部署高度優化的硬件,而軟件層則能夠掩蓋底層硬件的復雜性。為了使計算可持續和高效,服務提供商正對芯片層進行優化。這對 RISC-V 來說是一個巨大的機會。蘋果 M1 芯片實現的 CPU 架構遷移將是云服務提供商效仿的一個很好的例子。

短期內,我們將看到針對高度應用特定型業務負載的 RISC-V 處理器,例如 HPCAI 協處理器、存儲控制器和網絡數據包處理器。但歐洲和中國將 RISC-V 引入服務器和個人計算領域的一些舉措似乎很有發展前景。毫無疑問,RISC-V 要與 x86Arm 甚至 Power 平起平坐還有很長的路要走。但我們看到,這個已有 6 年歷史的架構擁有強大的行業采用前景和發展勢頭,并且如果這一趨勢持續下去,那么在未來六到七年,RISC-V 可能會成為服務器 CPU 的主流架構。

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