芯片架構設計風雲榜: (II) Risc-V

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前文提到安謀是從UC Berkeley (加大伯克利) 獲得RISC的基礎上發展壯大的。那這個RISC又是何方神聖,能堪如此大任呢?

RISC是reduced instruction set computer的縮寫,意為簡化指令集,由UC Berkeley的大衛·帕特森 (David Patterson) 教授1980年提出 (圖 Google Images),是相對於CISC (Complex Instruction Set Computer),即複雜指令集計算機而言。簡而言之,CISC (複雜指令集) 中硬件工程師用增加可實現複雜功能的指令和多種編址方式,以使軟件編程更方便和提高程序的運行速度。這樣一來,硬件指令係統日趨龐雜,係統性能也會降低。大衛·帕特森發現,在實際運行中有絕大部分 (80%) 的指令,耗費更多設計時間、易造成設計失誤、要求極複雜的操作、通用性差、極少用到,降低被頻繁調用的簡單指令係統的運行速度。

有鑒於此,帕特森提出了RISC (精簡指令) 的設想,即指令係統應當隻包含那些使用頻率很高的少量指令,並提供一些必要的指令以支持操作係統和高級語言。按照這個原則發展而成的計算機被稱為精簡指令集計算機架構。RISC架構的主要特點是,指令集經過大量寄存器和高度規則的指令流水線優化,允許每條指令的時鍾周期數 (CPI) 較低。

RISC架構指令集問世後並未大紅大紫,而是在默默中不斷完善迭代,直到2010年UC Berkeley一個由克裏斯塔•阿薩諾維奇 (Krste Asanovic) 教授領導的四人小組設計出一款RISC-V架構指令集的CPU (圖 Google Images)。為推動RISC-V產業化發展,阿薩諾維奇2015年推動成立了非營利組織RISC-V基金會,並任RISC-V基金會的主席,同時也是RISC-V商業化公司賽孚 (SiFive) 的聯合創始人。

與當時流行的ARM、X86 , MIPS和SPARC架構指令集相比較,RISC-V架構特點包括:

A. 完全開源 - RISC-V基金會不收取高額的使用指令集授權費(圖 Google Images)。開源采用寬鬆的BSD協議,企業完全自由免費使用,同時也容許企業添加自有指令集拓展而不必開放共享以實現差異化發展。
B. 簡潔- RISC-V架構借助計算機體係結構經過多年的發展已經成為比較成熟技術的優勢,其編碼規則簡潔統一。
C. 模塊化 - RISC-V架構不僅短小精悍,而且其模塊化的擴展設計讓不同的部分還能以模塊化的方式組織在一起,從而努力通過一套統一的架構滿足各種不同的應用場景。用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合,來實現自己定製化設備的需要,比如針對於低功耗嵌入式場景,用戶可以選擇RV32IC組合的指令集,僅使用Machine Mode (機器模式);而高性能應用操作係統場景則可以選擇譬如RV32IMFDC的指令集,使用Machine Mode (機器模式) 與User Mode (用戶模式) 兩種模式。

 

RISC-V推出後,受到業界的追捧。歐洲處理器計劃 (European Processor Initiative [EPI]) (圖 Google Images) 2018年宣布旨在創建一個基於RISC-V的原生歐洲硬件加速器架構,預計將在今年底或明年初推出原型機。加州集成電路製造商西部數據 (Western Digital) (圖 Google Images) 和英偉達 (Nvidia) 均有使用RISC-V的計劃。歐洲處理器計劃 (European Processor Initiative [EPI])。荷蘭的恩智浦 (NXP) 已經生產了Vegonder,一個包含兩個RISC-V內核和兩個ARM的開發板。

中國大陸的阿裏巴巴 (Alibaba) 和美國賽孚 (SiFive) (圖 Google Images) 等公司也接受RISC-V架構。2020年7月,阿裏巴巴推出由阿裏巴巴達摩學院下屬平頭哥半導體 (T-Head) 設計的首款基於RISC-V的產品玄鐵910 (XT910),應用於5G、人工智能以及自動駕駛等領域。在性能方麵,玄鐵910支持16核,主頻達到2.5GHz,采用12納米工藝蝕刻而成,包含16位指令。阿裏巴巴已在阿裏雲上使用該芯片,可以與公司的武進SoC平台配合使用。

大陸的另一家公司小米 (圖 Google Images),也一直在致力於RISC-V 芯片研發。2019年 9 月,小米推出了第一款采用RISC-V架構設計的芯片“黃山一號”。今年 (2020) 6月“黃山一號”順利流片量產,主要用於華米穿戴智能設備AMAZFIT的主控芯片。

必須承認,RISC-V離大規模商用化還有很遠的距離。由於自身在軟件生態、操作係統支持和微架構等方麵還存在的很大改進空間, RISC-V架構尚難以覆蓋AI和IoT芯片設計中最敏感的安全問題。而AI和IoT卻是RISC-V最有可能商用的領域,因為那裏沒有單一、大型的統一平台,也因為在雲端服務器、智能手機、平板電腦和PC市場, RISC-V沒有機會打破ARM和x86架構的壟斷地位 (圖 Google Images)。

影響RISC-V商用化的另一因素是RISC-V的碎片化。高自由度的擴展能力雖能夠讓芯片實現自主定製,但在應用端也暗藏碎片化風險,這是自RISC-V誕生以來便備受關注的問題。開發出的RISC-V架構處理器盡管都歸屬於同一RISC-V體係,但在實際應用搭配時卻不能夠適配同樣版本的軟件,這樣的話,RISC-V類的芯片被應用的更多之後,應用端會出現非常多硬件和硬件之間、硬件與軟件之間的適配問題。再就是對專利的擔憂,以及第三方生態係統的缺失。在主攻的嵌入式,小設備控製器市場,麵臨極強的競爭對手-安謀。

對大陸業界來說,RISC-V還有一個額外的風險:在中美矛盾激化時,可能被禁用。於是,有了另一個替代指令架構:loongArch。

未完待續

參考資料

關哥打野. (2020). 龍芯對外公開的LoongArch指令集. 騰訊網. 鏈接 https://xw.qq.com/cmsid/20200818A0TNHG00

黑洞照耀宇宙. (2020). 如果ARM(安謀)最終被NVIDIA(英偉達)收購,相關終端廠商是否會轉向risc-v? 知乎. 鏈接 https://www.zhihu.com/question/414958057/answer/1427979577

華強微電子. (2019). RISC-V叩開IoT芯片大門 麵臨“碎片化”與“安全性”雙重考驗. 百度百科. 鏈接 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1634398373363147084&wfr=spider&for=pc

縈夢灬落雨. (2019). 淺談RISC-V指令集架構的來龍去脈. bilibili. 鏈接 https://www.bilibili.com/read/cv5022050  

小棗君. (2020). 如何看待觀點「華為沒有核心技術,因為芯片用的是ARM(安謀架構,一旦被停止授權,就會做不出芯片」? 知乎.鏈接 https://www.zhihu.com/question/296178433/answer/692275926  

Burt, J. (2020). Alibaba on the bleeding edge of Risc-V with XT910. Next Platform. 鏈接 https://www.nextplatform.com/2020/08/21/alibaba-on-the-bleeding-edge-of-risc-v-with-xt910/

Feldman, M. (2020). EUROPEAN PROCESSOR INITIATIVE READIES PROTOTYPE. THE NEXTPLATFORM. 鏈接 https://www.nextplatform.com/2020/01/27/european-processor-initiative-readies-prototype

Goodwins, R. (2019). RISC-V opens up processor design. NDNet. 鏈接 https://www.zdnet.com/article/risc-v-opens-up-processor-design/ 

Guee程序員. (2020). 如何看待龍芯對外公開的 LoongArch 指令集?知乎. 鏈接 https://www.zhihu.com/question/414069789

Hu, D. (2018). CISC(複雜指令集)與RISC(精簡指令集)的區別. CSDN. 鏈接 https://blog.csdn.net/m0_37608982/article/details/81865927

MIT Technology Review科技評論. (2020). 丟掉幻想!龍芯中科將推出LoongArch自主指令集,深度兼容Windows、Linux、Android程序. 麻省理工科技評論. 鏈接  http://www.mittrchina.com/news/5506

Mutschler, A. S. (2017). RISC-V pros and cons. SEMICONDUCTOR ENGINEERING. 鏈接 https://semiengineering.com/risc-v-pros-cons/

Wiki. (2020). Berkeley RISC. 鏈接 https://en.wikipedia.org/wiki/Berkeley_RISC

Wiki. (2020). RISC-V.  鏈接 https://en.wikipedia.org/wiki/RISC-V

國華P 發表評論於
回複 'gwangmsn' 的評論 : 確實,投入非常重要。定製化是開源RISC-V內核的主要優勢,擁有開源硬件是定製化成功的關鍵。歐洲和大陸,尤其是大陸,對RISC-V的成功影響大。因為RISC-V提供了ARM外的另一可能性。畢竟,ARM去年一度對華為的行動讓中國印象深刻。但RISC-V也是美國人的技術。所以,大陸企業提出了自己的替代,即下麵一篇博文將簡述的...。敬請關注並點評。謝謝。
gwangmsn 發表評論於
除非有像AMD這樣公司的投入,RISK-V是沒指望的
國華P 發表評論於
回複 'koit' 的評論 : 非常感謝。相信很多感興趣的博友與我有同感。我的理解,在實際運行中,RISC-V應該更快,畢竟,它不需要去call那些無關的指令。這也是開發RISC-V的初衷。歡迎感興趣的博友指正。
koit 發表評論於
我不清楚它的細節, 但我想它根本就不是為了快速計算而設計的(似乎都是單時鍾周期指令)。現在的芯片不像20年前那麽分散,現在一顆芯片內可以包括很多的模塊, 處理器內核更加偏向於各模塊間的管理和調度。
國華P 發表評論於
回複 'koit' 的評論 : 謝謝。不知是否可以這樣理解-RISC-V、MIPS的64位算術運算能力相較X86要弱一些。請指教。
koit 發表評論於
在外圍加專門的協處理器彌補處理能力的不足
國華P 發表評論於
回複 '賭城看客' 的評論 : 好問題。在下不敢在此造次。還望那位大咖能回答。
賭城看客 發表評論於
RISC-V、MIPS 力量會不會太分散了?
不知道兩者64位算術運算能力如何。
8年前用選i5-3470或FX-8320時,感覺差距挺大的。
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