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100亿里程碑,RISC-V这一速度超越Arm

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发表于 2022-7-15 21:33:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。
640?wx_fmt=png.jpg 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。
640?wx_fmt=png.jpg 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。
640?wx_fmt=png.jpg 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。


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