文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
近日，RISC-V International首席執(zhí)行官Calista Redmond在Embedded World上宣布，RISC-V架構(gòu)內(nèi)核的出貨量已經(jīng)達(dá)到100億個(gè)。這并不是件容易的事情，如今大紅大紫的Arm架構(gòu)經(jīng)過(guò)了17年反復(fù)更迭，到2008年才走到這個(gè)里程碑，而RISC-V僅用了12年就實(shí)現(xiàn)了。Calista Redmond預(yù)計(jì)到2025年，RISC-V架構(gòu)內(nèi)核的出貨量將達(dá)到800億個(gè)。
近些年，RISC-V呈現(xiàn)出了越來(lái)越好的發(fā)展勢(shì)頭，這一切都源于其超級(jí)精簡(jiǎn)的指令集架構(gòu)（ISA），以及開(kāi)源的生態(tài)系統(tǒng)。
RISC-V是由U.C. Berkeley開(kāi)發(fā)的模塊化RISC指令集。“V”包含兩層含義：一是Berkeley從RISC I開(kāi)始設(shè)計(jì)，目前到了第五代指令集架構(gòu)；二是代表了變化（variation）和向量（vectors）。
不同于x86、Arm架構(gòu)高昂的IP費(fèi)用，RISC-V使用BSD開(kāi)源協(xié)議給予使用者很大自由，允許使用者修改和重新發(fā)布開(kāi)源代碼，也允許基于開(kāi)源代碼開(kāi)發(fā)商業(yè)軟件。
RISC-V最大的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單，它力圖通過(guò)架構(gòu)的定義使硬件實(shí)現(xiàn)足夠簡(jiǎn)單。
目前的“RISC-V架構(gòu)文檔”分為“指令集文檔”（riscv-spec-v2.2.pdf）和“特權(quán)架構(gòu)文檔”（riscv-privileged-v1.10.pdf）。“指令集文檔”的篇幅為145頁(yè)，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅僅為91頁(yè)。熟悉體系結(jié)構(gòu)的工程師僅需要1~2天就可以將其通讀，雖然RISC-V的架構(gòu)文檔還在不斷豐富，但是相比于x86與Arm的架構(gòu)文檔，RISC-V的篇幅可以說(shuō)是極其短小精悍。
RISC-V架構(gòu)還具備后發(fā)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)很成熟，多年來(lái)不斷暴露的問(wèn)題都已經(jīng)被研究透徹，因此，新的RISC-V架構(gòu)能夠加以規(guī)避，并且沒(méi)有背負(fù)向后兼容的歷史包袱。
另外，相比于其它成熟的處理器架構(gòu)，RISC-V的一個(gè)重要特點(diǎn)是：它是一個(gè)模塊化的架構(gòu)。因此，RISC-V架構(gòu)不僅短小精悍，而且不同部分還能以模塊化的方式組織在一起，從而試圖通過(guò)一套統(tǒng)一架構(gòu)滿(mǎn)足各種不同的應(yīng)用。
這種模塊化是x86與Arm架構(gòu)所不具備的。以Arm為例，Arm的架構(gòu)分為A、R和M三個(gè)系列，分別針對(duì)于Application（應(yīng)用操作系統(tǒng)）、Real-Time（實(shí)時(shí)）和Embedded（嵌入式）三個(gè)領(lǐng)域，彼此之間并不兼容。
但是，模塊化的RISC-V能夠讓用戶(hù)靈活選擇不同的模塊組合，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)景，例如，針對(duì)小面積、低功耗的嵌入式場(chǎng)景，用戶(hù)可以選擇RV32IC組合的指令集，僅使用Machine Mode（機(jī)器模式）；而高性能應(yīng)用操作系統(tǒng)場(chǎng)景則可以選擇RV32IMFDC等指令集，使用Machine Mode（機(jī)器模式）與User Mode（用戶(hù)模式）兩種模式。而它們的共同部分可以相互兼容。
短小精悍的架構(gòu)以及模塊化的哲學(xué)，使RISC-V的指令數(shù)目非常簡(jiǎn)潔，基本的RISC-V指令數(shù)目?jī)H有40多條，加上其它的模塊化擴(kuò)展指令，總共也不超過(guò)100條。
RISC-V的機(jī)遇
無(wú)論是Arm，還是RISC-V，其基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域都是嵌入式系統(tǒng)。不過(guò)隨著相關(guān)處理器性能的提升，以及應(yīng)用的發(fā)展，它們?cè)诟咝阅苡?jì)算領(lǐng)域開(kāi)始展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，例如，近些年，基于Arm架構(gòu)的CPU在服務(wù)器和PC市場(chǎng)風(fēng)生水起，并被以蘋(píng)果、谷歌、亞馬遜、阿里巴巴為代表的大型科技和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)重視，相關(guān)產(chǎn)品也在蠶食傳統(tǒng)x86架構(gòu)CPU的市場(chǎng)份額。同理，RISC-V也有類(lèi)似的機(jī)遇，其在以數(shù)據(jù)中心為代表的高性能計(jì)算市場(chǎng)體現(xiàn)出了更多價(jià)值。
目前來(lái)看，RISC-V在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景越來(lái)越明朗，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的整體架構(gòu)正在朝定制化和異構(gòu)化的方向發(fā)展，具體表現(xiàn)是從單一處理器供應(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)橛啥鄠€(gè)供應(yīng)商（包括系統(tǒng)公司自己的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)）提供的處理器和加速器的混合架構(gòu)。
之所以要異構(gòu)，很重要的一個(gè)原因是服務(wù)器的供電和冷卻機(jī)架成本不斷上升，需要更緊密的集成來(lái)處理AI / ML應(yīng)用程序，另外，需要處理的數(shù)據(jù)量正在大幅增加，再加上邊緣側(cè)數(shù)據(jù)中心的興起，使得整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)生著前所未有的變化。
作為數(shù)據(jù)中心處理器的霸主，英特爾正在向異構(gòu)方向發(fā)展，其IPU理念整合了CPU、GPU、FPGA和AI，在此基礎(chǔ)上，該公司也很看重RISC-V，過(guò)去多年內(nèi)，英特爾是拒絕向第三方IP開(kāi)放其處理器架構(gòu)的，但近兩年，該公司開(kāi)始允許在其解決方案中集成Arm和RISC-V內(nèi)核，英特爾還加入了RISC-V International，成為其主要成員。另外，英特爾正在大力推廣其晶圓代工業(yè)務(wù)（IFS），該公司表示，正在研究與Andes Technology、Esperanto Technologies、SiFive和Ventana Micro Systems等RISC-V系公司的合作，以確保RISC-V能更好地融入IFS制造的芯片，并加快上市時(shí)間。
有了英特爾助陣，可以加速RISC-V更快地融入數(shù)據(jù)中心，雖然目前的商用案例和規(guī)模還很有限，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它為主要芯片供應(yīng)商的定制奠定了基礎(chǔ)，除了英特爾，英偉達(dá)、西部數(shù)據(jù)等大廠都開(kāi)始在其處理器或控制器系統(tǒng)中引入RISC-V。有理由相信，基于RISC-V架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心處理器有望在未來(lái)三、四年內(nèi)普及開(kāi)來(lái)。
另外，異構(gòu)計(jì)算的發(fā)展有了更多的制造工藝保障，也就是當(dāng)下熱議的Chiplet，這對(duì)于RISC-V融入數(shù)據(jù)中心處理器來(lái)說(shuō)，是個(gè)很好的時(shí)機(jī)。像英特爾和AMD這樣的大型處理器廠商正是Chiplet的主要推動(dòng)力量，再加上以臺(tái)積電為代表的晶圓代工廠助陣，數(shù)據(jù)中心異構(gòu)計(jì)算有很大的發(fā)展?jié)摿Γ@些對(duì)RISC-V都是非常有利的。
RISC-V的新進(jìn)展
過(guò)去這些年，RISC-V的發(fā)展速度非?？欤缜拔乃觯涑鲐浟恳呀?jīng)達(dá)到100億個(gè)，這比同期的Arm還快。進(jìn)入2022年以來(lái)，無(wú)論是規(guī)范的豐富、擴(kuò)展，還是商業(yè)化方面，RISC-V都有新的進(jìn)展。
今年6月，RISC-V International發(fā)布了四項(xiàng)規(guī)范和擴(kuò)展，分別是：RiSC-V高效跟蹤（E-Trace），RISC-V Supervisor二進(jìn)制接口（SBI），RISC-V統(tǒng)一可擴(kuò)展固件接口（UEFI）規(guī)范，以及RISC-V Zmmul乘法擴(kuò)展。
E-Trace定義了一種高效的處理器跟蹤方法，非常適合調(diào)試從微型嵌入式設(shè)計(jì)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的多種類(lèi)型應(yīng)用。E-Trace指定了RISC-V內(nèi)核和編碼器之間的信號(hào)、壓縮的分支跟蹤算法以及用于封裝壓縮分支跟蹤信息的數(shù)據(jù)包格式。
SBI規(guī)范使用處于主管模式（S模式或VS模式）的應(yīng)用程序二進(jìn)制接口在硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)內(nèi)核之間構(gòu)建固件層，它支持跨所有RISC-V操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的通用平臺(tái)服務(wù)。目前，已經(jīng)有多家RISC-V成員在其解決方案中實(shí)施了RISC-V SBI規(guī)范。
UEFI協(xié)議將現(xiàn)有的UEFI標(biāo)準(zhǔn)帶入了RISC-V平臺(tái)，該規(guī)范的開(kāi)發(fā)和批準(zhǔn)由Sunil V L，Ventana Micro和PHILipp Tomsich，VRULL GmbH領(lǐng)導(dǎo)。
RISC-V Zmmul乘法支持需要乘法運(yùn)算但不需要除法的低成本實(shí)現(xiàn)，是RISC-V非特權(quán)規(guī)范的一部分。Zmmul擴(kuò)展特別有利于FPGA軟核應(yīng)用。
除了發(fā)布以上四項(xiàng)新規(guī)范和擴(kuò)展，近期，RISC-V在商業(yè)化和應(yīng)用拓展方面也有新進(jìn)展。
6月初，Microchip宣布支持RISC-V的FPGA（PolarFire SoC）開(kāi)始量產(chǎn)。該產(chǎn)品利用RISC-V 指令集架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了定制功能，與其它方案相比，可以提高電源效率、安全性和可靠性，還具備新功能，如確定性的非對(duì)稱(chēng)多處理（AMP）模式，允許用戶(hù)在運(yùn)行最高效能的實(shí)時(shí)應(yīng)用時(shí)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。同時(shí)，該公司的Mi-V生態(tài)系統(tǒng)也開(kāi)始采用RISC-V，Mi-V涵蓋各類(lèi)IP、硬件、操作系統(tǒng)、中間件、除錯(cuò)器、編譯器和設(shè)計(jì)服務(wù)，有20多個(gè)合作伙伴正在基于該生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展合作。
同樣是在6月，一個(gè)由歐洲大學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)“拼湊”了一臺(tái)名為Monte Cimone的RISC-V超級(jí)計(jì)算機(jī)，其最大特點(diǎn)就是很好地平衡了功耗和性能，展示了RISC-V在高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
據(jù)悉，Monte Cimone由六臺(tái)雙板服務(wù)器組成，每個(gè)主板都符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Mini-ITX的外形尺寸（170毫米×170毫米）。每個(gè)主板都有一個(gè) SiFive Freedom U740 SoC和16GB的DDR內(nèi)存，外加一個(gè)工作速率為7.8 GB/s的PCIe Gen 3 x8總線(xiàn)、一個(gè)千兆以太網(wǎng)端口和USB 3.2 Gen 1接口。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)M2M密鑰擴(kuò)展插槽，該插槽由操作系統(tǒng)使用的1TB NVME 2280 SSD占用。每個(gè)板中插入一個(gè)microSD卡，用于UEFI啟動(dòng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)集成了兩個(gè)250W電源，以支持硬件和未來(lái)的PCIe加速器和擴(kuò)展板。
Monte Cimone的設(shè)計(jì)理念不是追求絕對(duì)的浮點(diǎn)性能，目標(biāo)不是進(jìn)入全球超算500強(qiáng)名單，這樣的RISC-V超級(jí)計(jì)算機(jī)瞄準(zhǔn)的是低功耗應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)下，類(lèi)似這樣的系統(tǒng)，在云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心，以及邊緣側(cè)計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域，有越來(lái)越大的施展空間。
結(jié)語(yǔ)
無(wú)論是嵌入式系統(tǒng)，還是高性能的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，RISC-V已經(jīng)向Arm發(fā)起挑戰(zhàn)，且其發(fā)展勢(shì)頭很猛，這從Arm這幾年的商業(yè)策略也可見(jiàn)一斑，Arm主要收入來(lái)源就是授權(quán)費(fèi)和版稅，在RISC-V崛起之前，這些費(fèi)用是不可能免除的，但隨著后者發(fā)展勢(shì)頭難以阻擋，近兩年，Arm也開(kāi)始對(duì)其客戶(hù)減免相關(guān)費(fèi)用了，主要原因就是RISC-V給其施加了不小的壓力。
當(dāng)下，無(wú)論是嵌入式系統(tǒng)，還是以數(shù)據(jù)中心為代表的高性能計(jì)算應(yīng)用，原本只有x86一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的Arm，現(xiàn)在又多了一個(gè)RISC-V，競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈。不過(guò)，市場(chǎng)空間足夠大，且具有很大的拓展?jié)摿?。另外，隨著技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展，這三者除了競(jìng)爭(zhēng)之外，融合發(fā)展也是一條路，越來(lái)越龐大的系統(tǒng)，海量的數(shù)據(jù)，使企業(yè)數(shù)據(jù)中心要面對(duì)越來(lái)越大的成本和功耗壓力，這為異構(gòu)計(jì)算提供了很大的發(fā)展空間，RISC-V在其中可以發(fā)揮更重要的作用。而且，現(xiàn)在有了x86巨頭英特爾的支持，RISC-V的未來(lái)會(huì)更加明朗。