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Omdia:RISC-V架构变得越来越受欢迎

时间:2021-09-10 作者:Omdia 阅读:
随着受欢迎程度和采用率的提升,RISC-V会成为下一代CPU的首选架构吗?未来RISC-V是否会像主导服务器操作系统的Linux一样,成为主导的CPU架构?
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2021年6月,英特尔宣布与RISC-V处理器内核(针对CPU和协处理器)提供商SiFive合作,打造片上系统 (SoC) 开发平台Horse Creek。英特尔将使用SiFive最高性能的RISC-V处理器内核P550,并将DDR和PCIe等英特尔的其它半导体知识产权 (IP) 融入到设计中。Horse Creek将使用英特尔即将推出的7nm工艺,这使其成为英特尔的首款7nm产品。这是对RISC-V架构潜力的极大认可,并将进一步推动RISC-V架构用于数据中心、高性能计算 (HPC)、客户端计算和其它的无数行业。其它芯片供应商,如微芯、西部数据、华为和一些芯片界“新贵”已经在产品路线图中采用了RISC-V架构。到2020年底,SiFive已赢得80多家公司的200多个设计订单。

随着受欢迎程度和采用率的提升,RISC-V会成为下一代CPU的首选架构吗?未来RISC-V是否会像主导服务器操作系统的Linux一样,成为主导的CPU架构?

开放、现代的RISC-V架构

RISC-V指令集架构 (ISA) 诞生于美国加州大学伯克利分校,其发展至今将近十年之久。该ISA规范于2011年作为开源规范发布,支持32、64和128位CPU。2015年, 原作者放弃了自身权利,转而由新成立的RISC-V基金会拥有、维护和发布与RISC-V相关的知识产权。但在2019年, RISC-V基金会因为担忧美国的贸易法规而搬到了瑞士,并更名为RISC-V International。RSIC-V International的主要成员包括阿里巴巴、华为、中兴通讯和西部数据,战略成员包括谷歌、IBM、英伟达、高通、三星和恩智浦。

RISC-V ISA的开发人员认为,一个开放的ISA将为处理器设计提供一个真实、自由、开放的市场,从而实现以下好处:

  • 通过由更多设计者参与的自由市场竞争促进大量的创新产生,包括ISA的开放实现(相对专有实现而言)。
  • 共享开放处理器内核设计,通过设计复用缩短上市时间和降低成本,并且因为有许多设计者参与,这减少了设计上的错误。此外,因为设计的透明性,政府机构设置秘密后门变得更加艰难。
  • 处理器价格能够被更多终端所接受,这有助于拓展物联网 (IoT) 市场。

作为一款新的ISA,RISC-V的创作者们更加了解计算市场格局的演进,并且有机会避免现有架构的不足之处。为了维持稳定的软件基础并为设计者提供灵活性,RISC-V采用了模块化的基础+扩展模式。基础指令集中只包含47条指令。针对特定应用的扩展作为插件添加到基础指令集中,这有助于减少导致ISA“膨胀”的旧指令。考虑到物联网终端的成本敏感性和内存限制,RISC-V还使用压缩指令集编码。提供128位内存寻址目前看来似乎不大会成功,但它在十年内可能会取得成功,因为至少超大规模(hyperscale)云服务提供商将会以艾字节计算存储容量。

RISC-V正在兴起

当前的市场整合、地缘政治优先事项和物联网终端的激增表明RISC-V的作者们提出的目标越来越重要。事实上,这些目标正大力推动RISC-V得到更广泛地采用。在数据中心,服务器越来越以业务负载为中心,并且激增了大量的应用专用处理器来加速业务负载和提高效率。芯片更加多样化也为各种处理器架构创造了更多机会。

鉴于英伟达即将收购Arm,人们担心美国会垄断CPU技术公司。英特尔、AMD、IBM和英伟达都是美国公司,国家之间的地缘政治或贸易紧张局势可能会对国家的技术主权产生不利影响。因此,欧盟和中国正着眼于通过RISC-V推动计算技术主权。

在欧洲,RISC-V在欧洲处理器计划 (EPI) 的推动下获得了巨大的发展势头。巴塞罗那超级计算中心正在主导eProcessor项目,旨在构建高性能乱序RISC-V ISA处理器来用于HPC用例。该项目更广泛的目标是创建一个基于RISC-V架构的开源全栈生态(包括软件和硬件)。该项目的合作者包括芯片设计公司Cortus、Thales集团和Exascale Performance Systems。2020年,EPI构建出一个用于高效浮点计算的4096核RISC-V小芯片原型Manticore。设计师表示,与其它商用CPU和GPU相比,该处理器执行浮点密集型业务负载的能效是前者的五倍。

在俄罗斯,服务器制造商Yadro、芯片设计公司Syntacore与技术投资公司Rostec达成合作,致力于为单板计算机、平板电脑和工作站等用例构建基于RISC-V的新CPU。它们的产品路线图包括具有四个RISC-V内核(时钟频率为1.5GHz)的12nm SoC、时钟频率在1.5GHz和2GHz之间的功率优化的八核处理器以及时钟频率在2.5GHz和3GHz之间的64核处理器,最初采用12nm制造工艺,之后转变为7nm。

在亚太地区,中国正在引领RISC-V技术的发展,在处理器技术方面努力实现自力更生。去年年底,中国半导体供应商赛昉科技发布了名为天枢的64位RISC-V CPU,从而用于高性能计算和数据中心业务负载。天枢是一款时钟频率为3.5Ghz的乱序处理器,采用台积电7nm工艺打造。它支持乱序超标量RVV 1.0版本扩展指令,这是HPC急需的功能。天枢CPU还具有硬件虚拟化功能,并且支持KVM等虚拟化软件。尽管天枢CPU还处于早期验证阶段,但赛昉科技已经与许多客户签约,其中包括服务器供应商H3C的子公司H3C Semiconductor Technology。赛昉科技还发布了一款基于RISC-V的AI协处理器,名为惊鸿7100,针对图像处理业务负载。另一家中国CPU供应商龙芯中科技术公司也在开发基于RISC-V的高性能CPU来用于HPC,该公司基于MIPS的CPU已在中国用于许多HPC系统。

还有许多中国供应商正在开发基于RISC-V的协处理器来用于机器学习等AI业务负载。

  • 近日,北京微芯区块链与边缘计算研究院发布了基于RISC-V的96核区块链加速专用协处理器。这款协处理器将部署在长安链协作网络中,这是一个拥有超过100万个节点、每秒处理交易峰值突破100万笔的大规模区块链网络。
  • 阿里巴巴旗下半导体公司平头哥推出了一款名为玄铁910的RISC-V SoC。玄铁910有16个基于RISC-V的64位内核,时钟频率在2.0GHz到2.5GHz之间。这款CPU采用了台积电12nm鳍式场效应晶体管 (FinFET) 制造工艺。平头哥还与另一家中国半导体公司全志科技合作来实现玄铁910 CPU的商用。
  • 去年,上海RISC-V CPU设计公司芯来科技获得来自国有的中国电子科技集团和智能手机制造商小米的1550万美元投资,以期推动其RISC-V CPU的发布。

中国也在大力投资构建RISC-V处理器的软件生态。中科院软件研究所宣布正专注于针对RISC-V处理器移植和优化Linux发行版。随着中国着眼于减少对Arm和x86 CPU的依赖,预计基于RISC-V的成熟Linux笔记本电脑将在明年年底上市。阿里云正在使其专有操作系统飞天与基于RISC-V等架构的处理器兼容。

中国台湾和韩国等亚洲地区/国家也在大力支持RISC-V计划。台湾RISC-V联盟得到联发科、力晶、安第斯科技等公司的支持。该组织旨在通过产学研合作将RISC-V开放架构引入台湾。在韩国,三星和SK Hynix投资了SiFive,并且正在研发多款RISC-V处理器。三星已经在其5G无线电设备中使用RISC-V SoC,并计划开发RISC-V协处理器来加速人工智能 (AI) 计算。

北美也对RISC-V很感兴趣。

  • SiFive由RISC-V的发明者创立,总部位于旧金山,并且获得了Intel Capital、Qualcomm ventures和西部数据的投资。SiFive的客户包括谷歌、英伟达、特斯拉、高通、微芯、Marvell和Oculus。西部数据和希捷的存储控制器中已经采用了RISC-V内核。谷歌正在其OpenTitan项目中利用RISC-V,该项目旨在通过硅芯片信任根 (RoT) 提高计算的安全性,并防御Spectre和Meltdown等安全威胁。
  • 4月,AI CPU初创公司Tenstorrent宣布,其新款SoC将使用SiFive的64位RISC-V内核X280,该内核集成了512位宽的RISC-V矢量扩展(RVV)。这是对RISC-V架构的极大认可,因为Tenstorrent的创始人Jim Keller和Ljubisa Bajic均为CPU行业资深人士。Jim曾在多家公司领导研发,包括在AMD主导研发EPYC CPU,在苹果公司开发定制CPU ,并在特斯拉负责研发自动驾驶汽车定制芯片。
  • 当前,随着英特尔的Horse Creek采用RISC-V架构,该ISA正获得成为未来架构的又一个强大推动力。

使CPU开发普及化

RISC-V ISA最大的优势之一是开源。这使它立即吸引了世界各地大学和学术机构的注意。尽管还有其它开源ISA,例如SPARC V8或OpenRISC,但它们的设计更加复杂并且具有分支延迟。该行业与学术界在RISC-V方面的合作正在促进创新并构建强大的RISC-V软件生态,其中包括模拟器、用于配置和验证的电子设计自动化 (EDA) 工具、编译器、引导加载程序、操作系统、管理程序、其它集成开发环境 (IDE) 和软件开发工具包 (SDK)。这些工具的可用性和开源合作者正在加速推进RISC-V CPU项目并缩短产品开发周期。中科院的“香山”RISC-V开源处理器不到八个月就进入流片阶段 ─ 该处理器旨在与8核ARM Cortex-A76处理器具有类似性能。

围绕RSIC-V的半导体IP和EDA工具市场也在蓬勃发展。EDA工具供应商Micro Magic宣布,其使用16nm FinFET工艺制造的超低功耗64位RISC-V内核在1Ghz时钟频率下仅消耗10mW。该供应商表示其处理器内核可以以5GHz的时钟频率运行,同时保持极低的功耗。此外, Andes、Bluespec、Cloudbear、Codasip、Cortus和Syntacore等许多供应商都在提供定制的商用IP内核和集成工具,这形成了一个RISC-V硬件生态。这使处理器能够轻松配置一般性参数(即核心数、缓存大小)并通过自定义RTL (寄存器传输级) Block加以扩展。因此,现有的设计工具已经足以支持RISC-V架构,不需要添加任何专用元素。

结论:RISC变得越来越受欢迎

对于新的CPU架构,可能需要花费一定的时间和大量精力来为各类业务负载创建一个强大的生态,其中包括芯片供应商、硬件供应商、固件、操作系统和应用软件。但我们看到的市场趋势是,越来越多的计算能力被当作一种服务来消费。这使服务提供商有机会为特定业务负载部署高度优化的硬件,而软件层则能够掩盖底层硬件的复杂性。为了使计算可持续和高效,服务提供商正对芯片层进行优化。这对RISC-V来说是一个巨大的机会。苹果M1芯片实现的CPU架构迁移将是云服务提供商效仿的一个很好的例子。

短期内,我们将看到针对高度应用特定型业务负载的RISC-V处理器,例如HPC、AI协处理器、存储控制器和网络数据包处理器。但欧洲和中国将RISC-V引入服务器和个人计算领域的一些举措似乎很有发展前景。毫无疑问,RISC-V要与x86、Arm甚至Power平起平坐还有很长的路要走。但我们看到,这个已有6年历史的架构拥有强大的行业采用前景和发展势头,并且如果这一趋势持续下去,那么在未来六到七年,RISC-V可能会成为服务器CPU的主流架构。

责编:Luffy Liu

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