但習慣瞭X86和Arm架構的很多人一直對於Risc-V這個秉承開放的架構持懷疑態度,人人都能自主可控,是否能催生出完整的生態?

但首先,Risc-V本身必須足夠強大。

RISC-V的驚人突破

十年前,加州大學伯克利分校的一個實驗室裡誕生瞭一個想法:有人想創造計算機芯片的通用指令,這套指令將被所有芯片制造商使用,但又不屬於任何一個制造商。

雖然這個願景還未實現,但最近的確發生瞭一件有趣的事情:該校的研究成果RISC-V已經開始在芯片設計方面取得一些技術突破。

根據全球半導體行業知名媒體EETimes的報道,前些天,一傢位於加州森尼維爾的小型電子設計公司Micro Magic宣稱:他們設計、生產出瞭全世界最快的64位RISC-V內核,比蘋果的M1芯片和Arm Cortex-A9表現還要出色。該公司認為,該芯片優雅地實現瞭David Patterson(參與創建RISC-V的加州大學伯克利分校教授)對精簡指令集計算機(RISC)架構的最初設想,在當今用電池供電的設備上也能輕松工作。

Micro Magic的聲明中提到,這款原型CPU在1.1v電壓下可以達到5GHz的時鐘速度,遠高於運行速度為3.2GHz的英特爾Xeon服務器芯片E7,CoreMarks跑分達到13000分。而1.1伏時,該芯片隻需要消耗1瓦的功率,不到英特爾Xeon功率的1%。此外,單個Micro Magic核心在0.8V下可以達到4.25GHz,CoreMarks跑分達到11000分,但消耗的功率僅為200mW。

與此同時,這款RISC-V芯片的速度和能效也超過瞭Exynos4。Exynos4是三星電子為其智能手機生產的頂級部件,基於ARM Holdings Plc提供的計算核心,是英特爾的主要競爭對手。

David Patterson在接受ZDNet采訪時說:“這真是太神奇瞭……我認為IBM的大型主機有5GHz的液冷產品,但需要100瓦才能運行”。

David Patterson。圖源:https://spectrum.ieee.org/view-from-the-valley/computing/hardware/david-patterson-says-its-time-for-new-computer-architectures-and-software-languages

David Patterson

Patterson還表示:“我也聽到過一些關於FPGA的令人印象深刻的數字,大概是600MHz”,他指的是可重新編程芯片,“對於軟核來說,這似乎相當快”。

Patterson對技術創新的突飛猛進感到非常驚訝,“創新的潛力總是存在的”,但這並不是他和加州大學伯克利分校教授Krste Asanovic在2011年首次為RISC-V撰寫宣言時的初衷。

“因為它是開放的,所以我們會看到很多這類競爭”,Patterson反思道。

“也許是因為競爭激烈,我們開始看到設計領域一些真正有趣的東西正在被實現”,Patterson說,他同時也是谷歌的傑出工程師。

新的5GHz處理器僅僅是一個原型,而不是一個車庫起傢的初創公司的產物。它是由矽谷芯片知識產權設計公司Micro Magic Inc制造的,該公司為矽谷所有的大公司提供咨詢服務已有25年。一小隊經驗豐富的芯片設計師能夠完成這樣的任務,這意味著一場設計復興可能即將到來。

這款芯片不僅在低功耗下速度更快,在基準得分上也趕超英特爾和三星的芯片。在CoreMark基準測試中,這款RISC-V芯片的得分為13000分,是基於ARM的Exynos單核性能得分的兩倍多。雖然英特爾Xeon名義上單核性能更高,達到26009分,但Xeon需要更多線程,120個線程才能達到上述結果。

Micro Magic業務聯絡人、長期擔任芯片行業高管的Dr。Andy Huang在接受ZDNet電話采訪時解釋說:這一突破在於CPU和內存的交互方式。Micro Magic的兩位創始人Mark Santoro和Lee Tavrow在90年代早期為一種SRAM計算機內存芯片申請瞭專利。

這一RISC-V原型芯片改變瞭存儲快、芯片慢這種現狀。

“如果內存運行在5GHz,而邏輯運行在1GHz,誰是瓶頸?”Dr。Andy Huang打趣道。但他沒有透露具體細節。

關鍵在於開放

Huang還表示:他們成功的關鍵在於RISC-V是開放的,不像英特爾芯片的復雜指令集架構CISC,也不像ARM芯片中的RISC版本。芯片設計可以解決上述瓶頸。但如果芯片的指令被鎖定,瓶頸就很難解決。

為瞭解釋這一點,Huang還打瞭個比方。

“我問我兒子為什麼他更喜歡三星(智能手機)而不是蘋果,他說是因為如果他想改變什麼,他可以讓他的一個編程朋友幫他做,因為Android是開放的,不像iOS”。Huang這樣比喻。

“這就是我們為什麼要把所有的成功都歸功於Dr。Patterson”,Huang說,“他創造瞭迄今為止最高效、最優雅的RISC架構”。

“我們應該叫他聖Patterson”,Huang說。

Micro Magic芯片的成功不僅僅是修改指令集那麼簡單,還有一種經濟因素在起作用。

Dr。Huang強調,CISC或ARM的指令集都有1000多條指令,而RISC-V的指令不到100條。

由於RISC-V指令集簡單,Micro Magic能夠使用標準矽晶圓生產其芯片,無需進行特殊調整。這使得使用所謂的shuttlerun成為可能。在制造過程中,該芯片與其他傢的芯片組合在同一個晶圓上。由於晶圓的成本是由多方共同承擔的,所以這樣可以節省成本。

“人們經常討論用1億美元來做一個定制的ASIC”,Patterson說,這意味他們想做一種為特定應用而調整的芯片。“但他們(Micro Magic)沒有花1億美元去做這件事”。

盡管Patterson和Huang都沒有強調,但還有一個經濟因素也在起作用:如果你在ARM許可方面沒有太多的預算,那麼shuttlerun會讓你的處境變得容易一些,因為這樣就可以將ARM許可費用分攤。

Micro Magic 的芯片在 3.08GHz 頻率下的功耗是 0.69mW,此時的 CoreMark 分數為 8200 分。

Micro Magic的芯片在3.08GHz頻率下的功耗是0.69mW,此時的CoreMark分數為8200分。

考慮到世界上最大的芯片制造商之一英偉達(Nvidia)正以400億美元的價格收購ARM,這個經濟方面的問題開始變得重要起來。

Nvidia首席執行官黃仁勛(Jensen Huang)描述瞭他對ARM雄心勃勃的計劃,並且他向華爾街保證,ARM許可證的持有者、他的競爭對手們不會介意英偉達收購ARM。

但是此舉顯然為替代品提供瞭新的機會。當被問及這筆交易時,Patterson表現得非常謹慎。英偉達是RISC-V生態系統的成員,並全心全意地支持該技術。

巨大的想象空間

Micro Magic的Huang說,自從Micro Magic發佈瞭簡短的芯片公告後,就有科技巨頭開始聯系他。

“在那市值總和達到4萬億美元的四大科技巨頭(蘋果、微軟、亞馬遜、Alphabet)”中,已經有兩傢公司給我發來瞭電子郵件”,Huang說,但他沒有透露具體是哪兩傢公司。

Huang的這個說法為我們提供瞭一個假設的空間,即蘋果或谷歌可能利用該芯片在能效方面取得突破。

“谷歌已經擁有瞭移動開源軟件Android,想象一下,如果他們再拿到最節能、性能最強大的開源RISC核心,移動消費者將從中獲得多少收益”,Huang這樣說道。

“再想象一下最新的蘋果手表不需要每晚充電,”這是Huang提出的另一種可能性。

Huang說,不管有沒有這樣的交易,Micro Magic都希望將其RISC-V的知識產權應用到越來越多的設計中,從而在全球電力消耗方面取得實質性的進展。

“我們的目的是幫助世界,幫助個人電腦、筆記本電腦世界、平板電腦世界、手機世界、可穿戴設備、遊戲、電動汽車和物聯網……我們的目標是為將世界碳排放量減少一半做出貢獻。”

五到十年之後,RISC-V將成為最重要的指令集?

一個CPU原型並不是一場革命。通過與英特爾和其他公司的實際出貨產品進行比較,我們可以發現一個事實,即完成芯片設計需要很多的部件。

這就是為什麼圍繞RISC-V的公司生態系統如此重要。目前,宣佈將使用RISC-V的公司數量雖然不多,但正在增長。

Patterson說:“所有你能想到的產品,甚至是數據中心,都有人在認真考慮RISC-V”。

他說:“我們感覺,最難的地方已經過去瞭。幾年前,我們討論的是為什麼要用RISC-V,現在,我們討論的是為什麼我不用RISC-V”。

Si Five是矽谷的一傢初創公司,多年來致力基於RISC-V的芯片知識產權的研發。八月份,該公司成立瞭一個業務部門Open Five,致力於為各種應用(包括AI和邊緣計算)生產定制芯片。Patterson的合作者Asanović教授是Si Five的首席架構師。

另一傢典型的RISC-V生態支持者是臺灣的嵌入式處理器制造商晶心科技(Andes Technology。多年來,該公司總共向電子產品制造商出售瞭數十億的CPU設計。

上個月,Si Five和Andes Technology都在著名的芯片技術會議(Linley Fall Processor)上展示瞭使用RISC-V的人工智能新芯片設計。

Si Five告訴ZDNet,他們現在已經與80多傢公司達成瞭200多項設計方案,其中包括前十大半導體制造商中的6傢。憑借FADU、華米、高通、三星和新思國際在設計領域取得的成功,目前Si Five的核心出貨量已達數千萬。

晶心科技在上個月的一份季度報告中對投資者表示,今年約三分之一的收入來自基於RISC-V的零部件。

大型磁盤驅動器制造商Seagate Technology和Western Digital都是下個月舉行的RISC-V Summit的贊助商,這是該生態系統的第三屆年度技術峰會。該活動由RISC-V國際協會主辦,該協會是一傢非盈利機構,目前代表瞭750多個致力於推進該標準的締約方,其中包括中國智能手機供應商華為、芯片制造商賽靈思、高通以及IBM。Asanović是該組織的主席,Patterson是副主席。

然而,無論RISC-V有多成功,我們可能永遠不會知道它的全部用途。這是因為,盡管ARM和其他商業技術提供商要求被許可方簽署文件,但RISC-V的使用者無需披露其使用情況。

RISC-V國際協會要求供應商自願披露使用情況,但不強制。基於這個原因,很難看到RISC-V使用范圍的具體證據,Patterson說。

最近,Patterson通過視頻與合作者進行瞭一系列的一對一訪談,以慶祝RISC-V十周年。Patterson告訴ZDNet,其中一位合作者提出瞭一個驚人的觀點:在五到十年內,RISC-V可能是世界上最重要的指令集。“一方面,這聽起來很瘋狂,但這並非不可能。”Patterson說道。

參考內容:

https://www.zdnet.com/article/risc-v-the-linux-of-the-chip-world-is-starting-to-produce-technological-breakthroughs/

https://arstechnica.com/gadgets/2020/12/new-risc-v-cpu-claims-recordbreaking-performance-per-watt/

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