100亿里程碑，RISC-V这一速度超越Arm

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100亿里程碑，RISC-V这一速度超越Arm

RISC-V的发展速度令Arm有些坐立不安，不过，竞争之外，融合发展似乎也是一条可选之路。作者：畅秋

近日，RISC-V International首席执行官Calista Redmond在Embedded World上宣布，RISC-V架构内核的出货量已经达到100亿个。这并不是件容易的事情，如今大红大紫的Arm架构经过了17年反复更迭，到2008年才走到这个里程碑，而RISC-V仅用了12年就实现了。Calista Redmond预计到2025年，RISC-V架构内核的出货量将达到800亿个。

近些年，RISC-V呈现出了越来越好的发展势头，这一切都源于其超级精简的指令集架构（ISA），以及开源的生态系统。

RISC-V是由U.C. Berkeley开发的模块化RISC指令集。“V”包含两层含义：一是Berkeley从RISC I开始设计，目前到了第五代指令集架构；二是代表了变化（variation）和向量（vectors）。

不同于x86、Arm架构高昂的IP费用，RISC-V使用BSD开源协议给予使用者很大自由，允许使用者修改和重新发布开源代码，也允许基于开源代码开发商业软件。

RISC-V最大的特点就是简单，它力图通过架构的定义使硬件实现足够简单。

目前的“RISC-V架构文档”分为“指令集文档”（riscv-spec-v2.2.pdf）和“特权架构文档”（riscv-privileged-v1.10.pdf）。“指令集文档”的篇幅为145页，而“特权架构文档”的篇幅仅为91页。熟悉体系结构的工程师仅需要1~2天就可以将其通读，虽然RISC-V的架构文档还在不断丰富，但是相比于x86与Arm的架构文档，RISC-V的篇幅可以说是极其短小精悍。

RISC-V架构还具备后发优势，经过多年的发展，计算机体系结构已经很成熟，多年来不断暴露的问题都已经被研究透彻，因此，新的RISC-V架构能够加以规避，并且没有背负向后兼容的历史包袱。

另外，相比于其它成熟的处理器架构，RISC-V的一个重要特点是：它是一个模块化的架构。因此，RISC-V架构不仅短小精悍，而且不同部分还能以模块化的方式组织在一起，从而试图通过一套统一架构满足各种不同的应用。

这种模块化是x86与Arm架构所不具备的。以Arm为例，Arm的架构分为A、R和M三个系列，分别针对于Application（应用操作系统）、Real-Time（实时）和Embedded（嵌入式）三个领域，彼此之间并不兼容。

但是，模块化的RISC-V能够让用户灵活选择不同的模块组合，以满足不同的应用场景，例如，针对小面积、低功耗的嵌入式场景，用户可以选择RV32IC组合的指令集，仅使用Machine Mode（机器模式）；而高性能应用操作系统场景则可以选择RV32IMFDC等指令集，使用Machine Mode（机器模式）与User Mode（用户模式）两种模式。而它们的共同部分可以相互兼容。

短小精悍的架构以及模块化的哲学，使RISC-V的指令数目非常简洁，基本的RISC-V指令数目仅有40多条，加上其它的模块化扩展指令，总共也不超过100条。

RISC-V的机遇

无论是Arm，还是RISC-V，其基础应用领域都是嵌入式系统。不过随着相关处理器性能的提升，以及应用的发展，它们在高性能计算领域开始展现出优势，例如，近些年，基于Arm架构的CPU在服务器和PC市场风生水起，并被以苹果、谷歌、亚马逊、阿里巴巴为代表的大型科技和互联网企业重视，相关产品也在蚕食传统x86架构CPU的市场份额。同理，RISC-V也有类似的机遇，其在以数据中心为代表的高性能计算市场体现出了更多价值。

目前来看，RISC-V在数据中心的应用前景越来越明朗，因为数据中心的整体架构正在朝定制化和异构化的方向发展，具体表现是从单一处理器供应商转变为由多个供应商（包括系统公司自己的设计团队）提供的处理器和加速器的混合架构。

之所以要异构，很重要的一个原因是服务器的供电和冷却机架成本不断上升，需要更紧密的集成来处理AI / ML应用程序，另外，需要处理的数据量正在大幅增加，再加上边缘侧数据中心的兴起，使得整个数据中心行业发生着前所未有的变化。

作为数据中心处理器的霸主，英特尔正在向异构方向发展，其IPU理念整合了CPU、GPU、FPGA和AI，在此基础上，该公司也很看重RISC-V，过去多年内，英特尔是拒绝向第三方IP开放其处理器架构的，但近两年，该公司开始允许在其解决方案中集成Arm和RISC-V内核，英特尔还加入了RISC-V International，成为其主要成员。另外，英特尔正在大力推广其晶圆代工业务（IFS），该公司表示，正在研究与Andes Technology、Esperanto Technologies、SiFive和Ventana Micro Systems等RISC-V系公司的合作，以确保RISC-V能更好地融入IFS制造的芯片，并加快上市时间。

有了英特尔助阵，可以加速RISC-V更快地融入数据中心，虽然目前的商用案例和规模还很有限，但从长远来看，它为主要芯片供应商的定制奠定了基础，除了英特尔，英伟达、西部数据等大厂都开始在其处理器或控制器系统中引入RISC-V。有理由相信，基于RISC-V架构的数据中心处理器有望在未来三、四年内普及开来。

另外，异构计算的发展有了更多的制造工艺保障，也就是当下热议的Chiplet，这对于RISC-V融入数据中心处理器来说，是个很好的时机。像英特尔和AMD这样的大型处理器厂商正是Chiplet的主要推动力量，再加上以台积电为代表的晶圆代工厂助阵，数据中心异构计算有很大的发展潜力，这些对RISC-V都是非常有利的。

RISC-V的新进展

过去这些年，RISC-V的发展速度非常快，如前文所述，其出货量已经达到100亿个，这比同期的Arm还快。进入2022年以来，无论是规范的丰富、扩展，还是商业化方面，RISC-V都有新的进展。

今年6月，RISC-V International发布了四项规范和扩展，分别是：RiSC-V高效跟踪（E-Trace），RISC-V Supervisor二进制接口（SBI），RISC-V统一可扩展固件接口（UEFI）规范，以及RISC-V Zmmul乘法扩展。

E-Trace定义了一种高效的处理器跟踪方法，非常适合调试从微型嵌入式设计到超级计算机的多种类型应用。E-Trace指定了RISC-V内核和编码器之间的信号、压缩的分支跟踪算法以及用于封装压缩分支跟踪信息的数据包格式。

SBI规范使用处于主管模式（S模式或VS模式）的应用程序二进制接口在硬件平台和操作系统内核之间构建固件层，它支持跨所有RISC-V操作系统实现的通用平台服务。目前，已经有多家RISC-V成员在其解决方案中实施了RISC-V SBI规范。

UEFI协议将现有的UEFI标准带入了RISC-V平台，该规范的开发和批准由Sunil V L，Ventana Micro和PHILipp Tomsich，VRULL GmbH领导。

RISC-V Zmmul乘法支持需要乘法运算但不需要除法的低成本实现，是RISC-V非特权规范的一部分。Zmmul扩展特别有利于FPGA软核应用。

除了发布以上四项新规范和扩展，近期，RISC-V在商业化和应用拓展方面也有新进展。

6月初，Microchip宣布支持RISC-V的FPGA（PolarFire SoC）开始量产。该产品利用RISC-V 指令集架构实现了定制功能，与其它方案相比，可以提高电源效率、安全性和可靠性，还具备新功能，如确定性的非对称多处理（AMP）模式，允许用户在运行最高效能的实时应用时运行Linux操作系统。同时，该公司的Mi-V生态系统也开始采用RISC-V，Mi-V涵盖各类IP、硬件、操作系统、中间件、除错器、编译器和设计服务，有20多个合作伙伴正在基于该生态系统开展合作。

同样是在6月，一个由欧洲大学生组成的团队“拼凑”了一台名为Monte Cimone的RISC-V超级计算机，其最大特点就是很好地平衡了功耗和性能，展示了RISC-V在高性能计算应用领域的发展潜力。

据悉，Monte Cimone由六台双板服务器组成，每个主板都符合行业标准Mini-ITX的外形尺寸（170毫米×170毫米）。每个主板都有一个 SiFive Freedom U740 SoC和16GB的DDR内存，外加一个工作速率为7.8 GB/s的PCIe Gen 3 x8总线、一个千兆以太网端口和USB 3.2 Gen 1接口。每个节点都有一个M2M密钥扩展插槽，该插槽由操作系统使用的1TB NVME 2280 SSD占用。每个板中插入一个microSD卡，用于UEFI启动。每个节点集成了两个250W电源，以支持硬件和未来的PCIe加速器和扩展板。

Monte Cimone的设计理念不是追求绝对的浮点性能，目标不是进入全球超算500强名单，这样的RISC-V超级计算机瞄准的是低功耗应用领域，当下，类似这样的系统，在云计算和数据中心，以及边缘侧计算应用领域，有越来越大的施展空间。

结语

无论是嵌入式系统，还是高性能的数据中心应用，RISC-V已经向Arm发起挑战，且其发展势头很猛，这从Arm这几年的商业策略也可见一斑，Arm主要收入来源就是授权费和版税，在RISC-V崛起之前，这些费用是不可能免除的，但随着后者发展势头难以阻挡，近两年，Arm也开始对其客户减免相关费用了，主要原因就是RISC-V给其施加了不小的压力。

当下，无论是嵌入式系统，还是以数据中心为代表的高性能计算应用，原本只有x86一个竞争对手的Arm，现在又多了一个RISC-V，竞争会更加激烈。不过，市场空间足够大，且具有很大的拓展潜力。另外，随着技术和应用需求的发展，这三者除了竞争之外，融合发展也是一条路，越来越庞大的系统，海量的数据，使企业数据中心要面对越来越大的成本和功耗压力，这为异构计算提供了很大的发展空间，RISC-V在其中可以发挥更重要的作用。而且，现在有了x86巨头英特尔的支持，RISC-V的未来会更加明朗。