RISC-V正在憋大招！計(jì)劃進(jìn)入所有處理器 美國(guó)防不住開(kāi)源

10月16日消息，RISC-V不再滿(mǎn)足于顛覆CPU行業(yè)。它正在對(duì)集成到SoC或先進(jìn)封裝中的每一種處理器發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)，這是一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃，將面臨來(lái)自財(cái)力雄厚的研發(fā)運(yùn)營(yíng)商及其構(gòu)建良好的生態(tài)系統(tǒng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

當(dāng)RISC-V International(RISC-V國(guó)際基金會(huì))的首席執(zhí)行官Calista Redmond在去年的峰會(huì)上說(shuō)“RISC-V將無(wú)處不在”時(shí)，大多數(shù)人可能認(rèn)為她在談?wù)揅PU。很明顯，該組織打算推動(dòng)RISC-V進(jìn)入在服務(wù)器和深度嵌入式設(shè)備中。但該組織的目標(biāo)遠(yuǎn)不止于此。

Redmond暗示，每一個(gè)處理核心，GPU、GPGPU、AI處理器，以及所有其他類(lèi)型的處理器，都可以是基于RISC-V的。加州大學(xué)伯克利分校教授、RISC-V International主席Krste Asanovi?在他的報(bào)告中展示了下面的幻燈片，使得這一點(diǎn)更加清晰。

隨著RISC-V International最近完成的安全和加密標(biāo)準(zhǔn)工作，這一愿景開(kāi)始形成。RISC-V International正在組建小組，并審查捐款，以增加對(duì)矩陣乘法的支持，這是GPU和AI處理器的基本功能。

在這些大膽的聲明背后，是數(shù)據(jù)和計(jì)算架構(gòu)的根本轉(zhuǎn)變。這不再是關(guān)于哪家公司擁有最快的CPU，因?yàn)闊o(wú)論它設(shè)計(jì)得多么好，所有的CPU都有局限性。

“在一些垂直市場(chǎng)，如5G/6G、推理和視頻處理，他們的計(jì)算工作量已無(wú)法在傳統(tǒng)CPU上進(jìn)行處理。”西門(mén)子EDA Catapult HLS團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目總監(jiān)Russell Klein表示：“這就是我們看到采用新計(jì)算方法的地方?！?

幾乎每個(gè)應(yīng)用程序都有某種形式的控制結(jié)構(gòu)。Arteris負(fù)責(zé)解決方案和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的副總裁Frank Schirrmeister表示：“從內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)的角度來(lái)看，圖形是一種非常特殊的野獸，有著非常特殊的要求?！??！叭绻憧纯醋罱l(fā)布的一些人工智能和RISC-V，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些公司發(fā)布的處理元素下面顯然有ISAs?！?

在某些情況下，這些需要正確的說(shuō)明。Bluespec的首席執(zhí)行官Charlie Hauck說(shuō)：“RISC-V有一種叫做向量擴(kuò)展的東西。”。“根據(jù)你如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，你可以得到一些開(kāi)始看起來(lái)很像GPU的東西，就許多并行或SIMD類(lèi)型的小型單元而言?！?

然而，這條路并不容易。Stream Computing研發(fā)總監(jiān)Fujie Fan表示：“通過(guò)指令擴(kuò)展將GPU功能添加到RISC-V架構(gòu)中很有吸引力，因?yàn)镚PU在人工智能領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。”?！叭欢?，我們也意識(shí)到這也面臨架構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)中不可避免的問(wèn)題。”

懷疑論者比比皆是。處理器的歷史上充斥著很多失敗的初創(chuàng)公司，他們宣稱(chēng)自己將用新的計(jì)算架構(gòu)擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。許多人沒(méi)有考慮到的是，競(jìng)爭(zhēng)并沒(méi)有停滯不前，計(jì)算環(huán)境正在經(jīng)歷不斷加速的變化，轉(zhuǎn)向新的方法和工具以及培訓(xùn)/再培訓(xùn)工程師的痛苦和費(fèi)用并非微不足道。

Quadric工程副總裁Dhanendra Jani表示：“RISC-V給被采用者帶來(lái)的價(jià)值是在控制處理領(lǐng)域，它擁有現(xiàn)成的開(kāi)源工具、現(xiàn)成的操作系統(tǒng)(Linux或?qū)崟r(shí))，以及通過(guò)ISA通用性提供的長(zhǎng)期軟件兼容性/可移植性的承諾?！?。

“圖形處理是一個(gè)非常不同的挑戰(zhàn)——一個(gè)特定領(lǐng)域的處理挑戰(zhàn)。要將基本RISC-V指令集改編成一個(gè)非常適合GPU任務(wù)的指令集，需要大量投資來(lái)定義自定義ISA擴(kuò)展，構(gòu)建高度復(fù)雜的微架構(gòu)更改，并對(duì)開(kāi)源工具進(jìn)行‘重大手術(shù)’，使其幾乎與原始工具相似。

因此使用RISC-V來(lái)進(jìn)行GPU任務(wù)，那么幾乎所有RISC-V的固有價(jià)值優(yōu)勢(shì)都將因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)廣泛的定制而被沖淡。你將失去大部分優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可能被核心ISA功能所束縛，這些功能限制了在特定領(lǐng)域GPU上下文中的有用性。簡(jiǎn)而言之，從RISC-V開(kāi)始，而不是一張干凈的紙開(kāi)始有什么意義?”

那么RISC-V的計(jì)劃是什么呢?RISC-V International首席技術(shù)官M(fèi)ark Himelstein表示：“矢量是SIMD運(yùn)算，它使你能夠同時(shí)對(duì)多條數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并讓芯片找出從內(nèi)存中取出東西的最佳方式，處理單個(gè)指令，然后將東西放回內(nèi)存，或?qū)⑺鼈円频较乱粋€(gè)操作?！??！叭鄙俚幕竟δ苁蔷仃嚦朔?。

我們收到了多個(gè)建議，其中一個(gè)建議就像32位指令中的矢量擴(kuò)展一樣。這非常困難，需要設(shè)置指令。你設(shè)置步幅和掩碼，然后扣動(dòng)扳機(jī)進(jìn)行操作。但如果你想在更大的矩陣實(shí)現(xiàn)中具有競(jìng)爭(zhēng)力在其他體系結(jié)構(gòu)上，您必須使用更寬的64位指令。這就是很多人在談?wù)摰??！?

問(wèn)題是有多少?gòu)?fù)雜性被暴露出來(lái)，還有多少仍然隱藏著。Arm客戶(hù)業(yè)務(wù)線(xiàn)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Anand Patel表示：“ISA是一個(gè)關(guān)鍵組成部分。”。“然而，GPU的復(fù)雜性通常是由Vulkan或OpenCL等標(biāo)準(zhǔn)API抽象出來(lái)的。這使得開(kāi)發(fā)人員更容易瞄準(zhǔn)多個(gè)供應(yīng)商，同時(shí)將較低級(jí)別的優(yōu)化留給GPU供應(yīng)商。即使在GPGPU類(lèi)型的應(yīng)用程序中，GPU的架構(gòu)也在快速發(fā)展，以跟上AI處理等新興用例的步伐至關(guān)重要的開(kāi)發(fā)人員可以訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)成熟的軟件生態(tài)系統(tǒng)來(lái)跟上這些變化。標(biāo)準(zhǔn)API確保開(kāi)發(fā)人員不必?fù)?dān)心ISA更改，但可以透明地看到這些底層改進(jìn)的好處?！?

宏觀(guān)架構(gòu)與微觀(guān)架構(gòu)

將這兩個(gè)關(guān)注點(diǎn)分開(kāi)是很重要的，因?yàn)镽ISC-V只定義宏觀(guān)體系結(jié)構(gòu)，而將所有微觀(guān)體系架構(gòu)決策留給實(shí)現(xiàn)者。當(dāng)移動(dòng)到CPU之外時(shí)，這將成為一個(gè)更大的問(wèn)題。RISC-V的Himelstein說(shuō)：“Von Neumann在某些方面是有限制的，但特定實(shí)現(xiàn)如何與內(nèi)存交互并不是由RISC-V決定的?！薄?

“大多數(shù)GPU實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)多級(jí)管道中的內(nèi)存來(lái)優(yōu)化這一點(diǎn)的。有些東西來(lái)自?xún)?nèi)存，而有些操作正在進(jìn)行。當(dāng)你開(kāi)始看GPU時(shí)，你會(huì)談?wù)摫┞秲?nèi)存交互。我們確實(shí)對(duì)事情發(fā)生的順序有一些限制，因?yàn)槟阆氪_保操作定義良好。”

看待問(wèn)題有很多方法。Stream Computing研發(fā)總監(jiān)Fujie Fan說(shuō)：“最先進(jìn)的GPU產(chǎn)品可以分為傳統(tǒng)的圖形處理和現(xiàn)代的人工智能加速?！?。“前者更像是一個(gè)可編程ASIC，而不是通用處理器，其核心能力來(lái)自流處理器的實(shí)現(xiàn)，而不是ISA。指令集通常對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是看不見(jiàn)的，總是退居次要地位。圖形處理器的設(shè)計(jì)與微架構(gòu)密切相關(guān)，適合與客戶(hù)機(jī)一起實(shí)現(xiàn)omized指令。對(duì)我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，人工智能和多媒體功能的標(biāo)準(zhǔn)化更具吸引力。要實(shí)現(xiàn)這樣的功能，復(fù)制GPU并不是唯一的方法。對(duì)于RISC-V來(lái)說(shuō)，多媒體功能可以通過(guò)矢量架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，AI能力可以通過(guò)更高效的矩陣加速器異構(gòu)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)?！?

如果您希望外部程序員為您的設(shè)備編寫(xiě)軟件，則某些方面會(huì)發(fā)生變化?！皵?shù)據(jù)流處理可以通過(guò)幾種方式完成，”西門(mén)子EDA Catapult HLS團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目總監(jiān)Russell Klein表示說(shuō)：“一種是使用小型通用處理器，甚至是專(zhuān)用處理器的流水線(xiàn)，每個(gè)處理器都處理一個(gè)問(wèn)題的一個(gè)階段。這明顯比單個(gè)大CPU更快、更高效。

使用可編程處理器作為計(jì)算元件保留了很大的靈活性，但確實(shí)放棄了一些性能和效率。這種方法實(shí)際上可以由任何有能力的多核處理器構(gòu)建而成。問(wèn)題是這種方法已經(jīng)被軟件開(kāi)發(fā)社區(qū)徹底拒絕了。他們不愿放棄他們的單線(xiàn)程編程模型?！?

這對(duì)許多公司來(lái)說(shuō)是個(gè)大問(wèn)題。Bluespec的Hauck說(shuō)：“如果你正在尋找一個(gè)通用處理器，根據(jù)應(yīng)用需求，它可以是任何東西，從單問(wèn)題、兩級(jí)或三級(jí)微控制器，一直到運(yùn)行多核的多問(wèn)題超標(biāo)量設(shè)計(jì)。”。“或者，你會(huì)看到有4096個(gè)RISC-V處理器的設(shè)計(jì)，每個(gè)處理器都是小型的、縮小的RV32I類(lèi)型的東西，它們?cè)谔囟ǖ南到y(tǒng)架構(gòu)和互連中被拉在一起，使這些東西能夠以GPU的精神運(yùn)作。它們由許多較小的整數(shù)單元組成，它們正在一起合作完成一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。挑戰(zhàn)是如何為此開(kāi)發(fā)軟件?”

有了更大的靈活性，可能需要新的方法。西門(mén)子EDA首席產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Andy Meyer表示：“在大型HPC中，如果你運(yùn)行的工作負(fù)載更面向數(shù)據(jù)中心，它就有一定的特征。但如果你的應(yīng)用程序是科學(xué)計(jì)算，那么可能有一些關(guān)于加載和存儲(chǔ)以及多種數(shù)學(xué)類(lèi)型操作的功能可以擴(kuò)展。”?！叭绻藗冞x擇這條路線(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)將面臨一些挑戰(zhàn)。增長(zhǎng)的主要領(lǐng)域是超規(guī)模的應(yīng)用。如果你看看風(fēng)險(xiǎn)投資的金額，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們顯然在解決一個(gè)獨(dú)特的問(wèn)題?！?

軟件和生態(tài)系統(tǒng)

幾十年來(lái)，硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)一直是一個(gè)目標(biāo)，RISC-V是少數(shù)幾個(gè)有進(jìn)步概念的領(lǐng)域之一。Russell Klein說(shuō)：“傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)會(huì)不遺余力地將硬件和軟件分開(kāi)?！薄！坝布粍?chuàng)造出來(lái)，然后軟件人員就對(duì)它失去了控制。如果硬件足夠通用，那么軟件將能夠做任何它需要做的事情來(lái)提供系統(tǒng)的功能。如果您在計(jì)算能力和功耗方面有足夠的冗余，那么這是可行的。我不會(huì)說(shuō)它效果很好，但它確實(shí)有效，盡管它相當(dāng)浪費(fèi)?！?

特定領(lǐng)域的計(jì)算開(kāi)始改變這一點(diǎn)。Russell Klein補(bǔ)充道：“要真正利用數(shù)據(jù)流處理器的潛力，就意味著要為特定的應(yīng)用程序進(jìn)行定制?！??！斑@意味著硬件和軟件團(tuán)隊(duì)需要共同努力才能取得成功。這讓很多組織和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)感到非常不舒服?！?

有時(shí)聯(lián)合設(shè)計(jì)是唯一的方法。Bluespec的Hauck說(shuō)：“假設(shè)你需要在邊緣進(jìn)行一些處理?！薄！翱偸菚?huì)有形狀、大小或功率的限制。再多的軟件創(chuàng)新也無(wú)法讓你取得任何進(jìn)展。如果你有一個(gè)軟件堆棧，堆棧就是它。你將無(wú)法通過(guò)軟件優(yōu)化來(lái)獲得任何具有這些類(lèi)型限制的特定解決方案。你必須從硬件入手。”

當(dāng)創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)時(shí)，處理器暴露在廣泛的編程受眾面前的可能性較小，并且可以進(jìn)行更多的優(yōu)化。Himelstein說(shuō)：“考慮一下已經(jīng)完成的矢量加密工作。”?！皼](méi)有人會(huì)在他們的程序中對(duì)矢量加密進(jìn)行編程。這不是他們所做的。他們使用的是庫(kù)，比如libSSL或其他一些加密庫(kù)，他們使用這些指令。有時(shí)他們通過(guò)進(jìn)入?yún)R編語(yǔ)言來(lái)使用它們，然后他們提供一個(gè)C、C++或Java接口，這樣軟件和應(yīng)用程序就可以利用它們。”

當(dāng)需要進(jìn)行通用編程時(shí)，它會(huì)變得更加困難。Fujie Fan說(shuō)：“如果你看看GPU的生態(tài)系統(tǒng)，工具鏈?zhǔn)怯蒒VIDIA(英偉達(dá))控制的。”。“包括AMD在內(nèi)的其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手曾試圖打破壟斷，但都失敗了。通過(guò)擴(kuò)展RISC-V的標(biāo)準(zhǔn)指令集，幾乎不可能與不斷更新的NVIDIA生態(tài)系統(tǒng)兼容。另一方面，也很難重新開(kāi)始，因?yàn)镹VIDIA具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)?！?

何時(shí)能夠成功?

盡管如此，RISC-V完全是為了實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。Hauck說(shuō)：“我們所看到的為什么傳統(tǒng)解決方案是目前最好的解決方案，很多都是歷史性問(wèn)題?！?。“智能架構(gòu)師和智能軟件開(kāi)發(fā)人員真正發(fā)揮其專(zhuān)業(yè)知識(shí)的地方將是RISC-V型環(huán)境?！?

它始于一種共同的需求。西門(mén)子EDA首席產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Andy Meyer說(shuō)：“如果有需要，人們會(huì)聚在一起合作，RISC-V就是合作。”?！澳憧梢钥吹揭粋€(gè)又一個(gè)例子，世界各地正在發(fā)生各種不同的倡議和聯(lián)盟。生態(tài)系統(tǒng)會(huì)不斷發(fā)展，但在商業(yè)方面和支持社區(qū)之間存在平衡?！?

這可能會(huì)帶來(lái)一些商業(yè)挑戰(zhàn)，尤其是在投資回報(bào)率很低的情況下。Hauck說(shuō)：“RISC-V還需要一段時(shí)間才能趕上并與現(xiàn)有的產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)?！?。“但你會(huì)開(kāi)始看到，對(duì)于某些應(yīng)用程序，如果有合適的公司支持，RISC-V處理器沒(méi)有理由不成功。有很多優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)人員。他們最終會(huì)成功，因?yàn)樯鐓^(qū)已經(jīng)擁有了創(chuàng)新所需的所有工具。”

那么，我們需要多長(zhǎng)時(shí)間才能看到RISC-V GPUS和AI處理器呢?Himelstein說(shuō)：“如果你想在一個(gè)非GPU的世界里擁有合理的人工智能功能，那么你今天就已經(jīng)擁有了。”。“但是，這些團(tuán)體一直要求的矩陣和所有其他東西的完整補(bǔ)充可能會(huì)在大約一年半后出現(xiàn)在基本的東西上，然后可能在三到四年后出現(xiàn)在更高級(jí)的東西上?！?

增量方法可以更快地使用工件。Fujie Fan說(shuō)：“與其將整個(gè)GPU產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，不如將每個(gè)GPU功能分別標(biāo)準(zhǔn)化?！薄！爸劣贏(yíng)I能力，我們認(rèn)為正在進(jìn)行的RISC-V矩陣擴(kuò)展是IC設(shè)計(jì)師的更好選擇。”