從“三分天下”到走向高性能計算，RISC-V的進擊之路還有多長？

前幾年提到RISC-V和X86、Arm三分天下，指的是X86占據(jù)了PC、服務器市場、Arm占據(jù)了移動計算的市場，而RISC-V在碎片化的IoT領域大有可為。這里的“三分天下”要打個引號，因為在IoT領域，Arm架構仍占據(jù)龐大的市場份額，只是說RISC-V靈活的指令集模塊化，對應著物聯(lián)網(wǎng)市場碎片化的需求是天然的優(yōu)勢，有著能夠占據(jù)一方的潛力和趨勢，并且在一些追求垂直整合增量市場更合適。

然而RISC-V的計算能力的拓展性極強，并不會止步在IoT市場?，F(xiàn)在RISC-V的發(fā)展已經(jīng)邁入了第二個階段，走向高性能計算。近兩年，不少RISC-V CPU主頻已經(jīng)達到甚至超過2GHz，對于矢量指令集的補充已經(jīng)標準化，服務器CPU、桌面CPU也開始出現(xiàn)。

那么從“三分天下”的IoT翹楚到“深入腹地”的高性能計算的攪局者，RISC-V還有多長的進擊之路要走？

我們在2023年第三屆RISC-V中國峰會上，采訪了RISC-V國際基金會CEO Calista Redmond女士、本屆峰會主席和中國科學院軟件研究所副所長武延軍老師、北京開源芯片研究院首席科學家包云崗老師，三位進行了展望和分享。

左至右依次：RISC-V國際基金會CEO Calista Redmond女士、中國科學院軟件研究所副所長武延軍、北京開源芯片研究院首席科學家包云崗

高性能計算場景，RISC-V CPU嶄露頭角

早在去年的峰會上，平頭哥就發(fā)布了無劍600系列，基于該平臺打造的SoC原型“曳影1520”，主頻最高達到了2.5GHz，RISC-V進入到了2GHz高性能應用。而算能也隨即在今年3月推出了國內首款64核玄鐵RISC-V服務器芯片SOPHON SG2042及服務器樣機。隨著Vector1.0已經(jīng)正式量產(chǎn)，而平頭哥也已經(jīng)進一步開始了在RISC-V上進行獨立矩陣指令集的研發(fā)。

另一個矚目的高性能CPU IP來自中科院，第一代香山（雁棲湖架構）核已經(jīng)成功流片，實測達到預期性能；第二代香山（南湖架構）高性能RISC-V 核心正在持續(xù)的產(chǎn)品化改造中，預計下半年會看到企業(yè)的流片；而據(jù)包老師介紹，第三代香山（昆明湖架構）內部的最新評估數(shù)據(jù)，SPEC 2006每GHz能達到接近14分。和Arm Neoverse 2代分數(shù)幾乎一致。

SiFive的P600系列高性能CPU也已經(jīng)于今年年初推出，實現(xiàn)了單位面積上比Arm A78更好的表現(xiàn)；而SiFive的X280作為TPU的矢量協(xié)處理器，提供了更直接的VCIX的接口技術，已經(jīng)被谷歌等諸多客戶采用。

在此次峰會上，賽昉科技推出了big-LITTLE的架構和互聯(lián)IPStarLink 500，并借此實現(xiàn)了完整的大小核IP子系統(tǒng)。驚鴻8100系列采用12nm工藝，提供2TOPS的算力，也將會在明年正式發(fā)布。

RISC-V走向高性能、大算力應用已經(jīng)是趨勢，而且這種趨勢正在加速。武延軍分享到，Arm早期在MCU領域做起來，目前已經(jīng)在移動計算領域取得了成功，現(xiàn)在又努力沖擊服務器領域。而RISC-V也會按照這樣的路線去走。目前RISC-V在MCU領域對于Arm的平行替代已經(jīng)沒有問題，現(xiàn)在正在逐漸向上走。

圖：香山處理器內核

正如武老師所言，在此次峰會的展區(qū)上，我們看到了除了MCU之外的更多高性能計算場景的Demo。例如RISC-V的筆記本，RISC-V的服務器、萬兆交換機等。隨著處理器能力增強，RISC-V的天花板正在不斷突破，向上的趨勢變得更加勢不可擋。

然而在當下階段，要走向高性能計算的應用領域，生態(tài)的價值、尤其是軟件生態(tài)的價值就會變得更為重要。硬件性能做上去了，生態(tài)的遷移是否能夠跟得上，將會決定RISC-V能否在高性能計算領域站得住腳的關鍵。

走向高性能計算后，生態(tài)的價值至關重要

“早期沒有太多人去談生態(tài)，這是因為早期RISC-V主要集中在MCU這個層次。對于MCU以及嵌入式領域的一些應用來說，它的生態(tài)非常小?！蔽溲榆姺窒淼?，“隨著處理器能力不斷地升級，就像今天我們所看到的，有面向PC的、筆記本的，甚至有面向服務器的，這樣的處理器出來以后，我們發(fā)現(xiàn)有越來越多的應用可以跑在RISC-V上，這時候的生態(tài)才會真正顯現(xiàn)出來?！?

首先是硬件的生態(tài)，這里面包含著諸多的工作要做。例如賽昉科技推出的IP子系統(tǒng)，實現(xiàn)了大小核和總線互連。而在服務器領域，CPU與其他IP的高效互連、對于最新高速連接協(xié)議的支持等，也都非常重要。據(jù)包老師分享，服務器級的RiSC-V CPU芯片已經(jīng)出來了，如果要在未來要做得更好，在硬件層面上還有很多工作要做。比如除了RISC-V CPU的core以外，還有外圍互聯(lián)的芯片，怎么把這些Core更好地連接起來等?，F(xiàn)在全世界做得最好的可能還是在Arm公司。如果在RISC-V整個大的硬件生態(tài)領域里缺少這種高質量的IP，那么就有可能會制約數(shù)據(jù)中心服務器級芯片的進一步提升。

而除了硬件的生態(tài)外，軟件的生態(tài)同樣至關重要。在2020年左右，大家開始意識到軟件在生態(tài)中的重要價值。RISC-V第一發(fā)明人Krste Asanovic教授曾提到，2020年開始，軟件的優(yōu)先級就變得很重要了，RISC-V開始變成軟件驅動的發(fā)展模式。

據(jù)武老師介紹，從2019年開始，中國科學院就開始致力于打造RISC-V“原生操作系統(tǒng)”，從操作系統(tǒng)的角度出發(fā)，看現(xiàn)有軟件適配RISC-V指令集需要做出哪些改動，怎么樣才能構建出一套比較完整的軟件棧來支持RISC-V生態(tài)。

對于整個軟件棧的構建，從2022年起，中國科學院軟件研究所將從兩個方面開展。首當其中的當然是開發(fā)工具鏈，發(fā)起一個叫做“如意SDK”（RuyiSDK）的項目。武老師表示希望能夠給軟件開發(fā)者提供“一站式”、“全家桶式”的開發(fā)工具集。有了如意SDK，開發(fā)者就不需要再浪費大量的時間在開發(fā)環(huán)境的搭建上，不需要自己去解決上下游軟件包和工具之間的適配問題?！昂退拿忠粯樱缫釹DK希望讓RISC-V的開發(fā)者能稱心如意?！蔽淅蠋熃榻B到。

另一方面，就是在操作系統(tǒng)層面，中國科學院軟件研究所啟動了一個叫做“PolyOS”（聚元操作系統(tǒng)）的項目。據(jù)悉，PolyOS不是傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)，而是操作系統(tǒng)+開發(fā)板（或SoC）的適配器，當有新的RISC-V SoC出來以后，PolyOS能夠很快地和SoC或開發(fā)板進行對接。90%以上操作系統(tǒng)的公共部分都已經(jīng)做好，剩下只有不到10%私有工具鏈或補丁可以納入到PolyOS里。這樣就可以讓開發(fā)板或SoC廠商在非常短時間內完成軟硬件的適配，縮短整個交付周期。

圖：聚元PolyOS編譯構建架構

而除了中國科學院的努力之外，生態(tài)內也出現(xiàn)了更多的好消息。例如，9月份openEuler版本將會發(fā)布， RISC-V成為了繼X86和Arm之后又一官方支持的架構。不久前，國際知名開源社區(qū)Debian首次把RISC-V作為Tier-1級的指令集標準規(guī)范來支持。Google的Android開源版本AOSP也把RISC-V當成官方要支持的指令集架構。在桌面PC和服務器等應用上，RISC-V軟件生態(tài)的建設正在加速。

RISC-V的玩家們，要探索增量市場，找到適合自己的商業(yè)模式

X86和Arm都在把握住了各自的時代機遇，很好地支持并滿足了其所處時代的計算能力需求。而在這個新的時代，一個指令集架構是否能夠變得成熟豐富，Calista Redmond認為有三方面的要素。一方面取決于生態(tài)的建立，二是商業(yè)模式的問題，三是架構本身的問題，這都構成了指令集架構的成功變量?！遍_放性“和”合作“，在現(xiàn)在新的指令集架構發(fā)展過程中至關重要。

Calista Redmond表示，一開始大家更多是從降低能效、減少尺寸的角度出發(fā)來擁抱RISC-V，而現(xiàn)在更多客戶是從增加性能的角度來選擇RISC-V，比如數(shù)據(jù)中心、無人駕駛等。在這些高性能計算方面，一個生態(tài)系統(tǒng)的建立是非常重要的。

不論是初創(chuàng)企業(yè)還是大公司，對于RISC-V都呈現(xiàn)出擁抱的態(tài)勢。Calista Redmond進一步分享到，小的企業(yè)、新的企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)因為以前沒有其他指令集架構的負累，更容易擁抱新的架構帶來新的機會，為自己帶來“綠地”項目。大的跨國公司雖然在現(xiàn)有架構里有很大的投資，但他們又想通過AI，通過加速器能夠為自己現(xiàn)有競爭力方面增添“翅膀”。所以，不同的利益相關方投資驅動力是有所不同的。

對于存量市場應用，已經(jīng)構建了成熟的X86和Arm的生態(tài)，那么整個生態(tài)遷移需要時間，并且要去的來自上下游的各方支持，而在新的增量應用方向上，RISC-V和Arm、X86都站在同一起跑線上。得益于著開放的指令集，RISC-V支持玩家們選擇多種不同的商業(yè)模式，在垂直的生態(tài)鏈上，可以只做一部分（例如只做IP等），也可以全部覆蓋自己實現(xiàn)垂直整合（從指令集到到芯片、終端產(chǎn)品）。但不管選擇何種商業(yè)模式，都需要找到適合自己的增長切入點，實現(xiàn)產(chǎn)品持續(xù)迭代和市場需求的相互驅動。

包老師表示，過去國內芯片公司可以直接選擇臺積電和Arm提供的“快餐”，在其上直接簡單改動就可以快速實現(xiàn)芯片設計，并沒有花很多的心思做研發(fā)。但其實芯片架構和工藝制程之間的結合，還是有非常多的空間可以挖掘。

而對于RISC-V的生態(tài)發(fā)展，最好是找到新的增量的應用場景。RISC-V憑借著開放的優(yōu)勢，可以快速聯(lián)合市場上更多的伙伴把生態(tài)底層快速構建出來。智能汽車的自動駕駛或許是一個方向，或者XR的設備會是一個方向？讓我們拭目以待。