图灵奖获得者,计算机体系结构先驱 David Patterson:「这真是太神奇了。」
开放开源的 Risc-V 架构一直被认为前途不可限量,最近一段时间也获得了越来越多公司和机构的支持,市面上既出现了阿里平头哥这样的高性能处理器,也有华米打造的可穿戴设备芯片。但习惯了 X86 和 Arm 架构的很多人一直对于 Risc-V 这个秉承开放的架构持怀疑态度,人人都能自主可控,是否能催生出完整的生态?十年前,加州大学伯克利分校的一个实验室里诞生了一个想法:有人想创造计算机芯片的通用指令,这套指令将被所有芯片制造商使用,但又不属于任何一个制造商。虽然这个愿景还未实现,但最近的确发生了一件有趣的事情:该校的研究成果 RISC-V 已经开始在芯片设计方面取得一些技术突破。根据全球半导体行业知名媒体 EE Times 的报道,前些天,一家位于加州森尼维尔的小型电子设计公司 Micro Magic 宣称:他们设计、生产出了全世界最快的 64 位 RISC-V 内核,比苹果的 M1 芯片和 Arm Cortex-A9 表现还要出色。该公司认为,该芯片优雅地实现了 David Patterson(参与创建 RISC-V 的加州大学伯克利分校教授)对精简指令集计算机(RISC)架构的最初设想,在当今用电池供电的设备上也能轻松工作。Micro Magic 的声明中提到,这款原型 CPU 在 1.1v 电压下可以达到 5GHz 的时钟速度,远高于运行速度为 3.2GHz 的英特尔 Xeon 服务器芯片 E7,CoreMarks 跑分达到 13000 分。而 1.1 伏时,该芯片只需要消耗 1 瓦的功率,不到英特尔 Xeon 功率的 1%。此外,单个 Micro Magic 核心在 0.8V 下可以达到 4.25GHz,CoreMarks 跑分达到 11000 分,但消耗的功率仅为 200mW。与此同时,这款 RISC-V 芯片的速度和能效也超过了 Exynos 4。Exynos 4 是三星电子为其智能手机生产的顶级部件,基于 ARM Holdings Plc 提供的计算核心,是英特尔的主要竞争对手。David Patterson 在接受 ZDNet 采访时说:「这真是太神奇了…… 我认为 IBM 的大型主机有 5GHz 的液冷产品,但需要 100 瓦才能运行」。David Patterson。图源:https://spectrum.ieee.org/view-from-the-valley/computing/hardware/david-patterson-says-its-time-for-new-computer-architectures-and-software-languagesPatterson 还表示:「我也听到过一些关于 FPGA 的令人印象深刻的数字,大概是 600MHz」,他指的是可重新编程芯片,「对于软核来说,这似乎相当快」。Patterson 对技术创新的突飞猛进感到非常惊讶,「创新的潜力总是存在的」,但这并不是他和加州大学伯克利分校教授 Krste Asanovic 在 2011 年首次为 RISC-V 撰写宣言时的初衷。「因为它是开放的,所以我们会看到很多这类竞争」,Patterson 反思道。「也许是因为竞争激烈,我们开始看到设计领域一些真正有趣的东西正在被实现」,Patterson 说,他同时也是谷歌的杰出工程师。新的 5GHz 处理器仅仅是一个原型,而不是一个车库起家的初创公司的产物。它是由硅谷芯片知识产权设计公司 Micro Magic Inc 制造的,该公司为硅谷所有的大公司提供咨询服务已有 25 年。一小队经验丰富的芯片设计师能够完成这样的任务,这意味着一场设计复兴可能即将到来。这款芯片不仅在低功耗下速度更快,在基准得分上也赶超英特尔和三星的芯片。在 CoreMark 基准测试中,这款 RISC-V 芯片的得分为 13000 分,是基于 ARM 的 Exynos 单核性能得分的两倍多。虽然英特尔 Xeon 名义上单核性能更高,达到 26009 分,但 Xeon 需要更多线程,120 个线程才能达到上述结果。Micro Magic 业务联络人、长期担任芯片行业高管的 Dr. Andy Huang 在接受 ZDNet 电话采访时解释说:这一突破在于 CPU 和内存的交互方式。Micro Magic 的两位创始人 Mark Santoro 和 Lee Tavrow 在 90 年代早期为一种 SRAM 计算机内存芯片申请了专利。这一 RISC-V 原型芯片改变了存储快、芯片慢这种现状。「如果内存运行在 5GHz,而逻辑运行在 1GHz,谁是瓶颈?」Dr. Andy Huang 打趣道。但他没有透露具体细节。Huang 还表示:他们成功的关键在于 RISC-V 是开放的,不像英特尔芯片的复杂指令集架构 CISC,也不像 ARM 芯片中的 RISC 版本。芯片设计可以解决上述瓶颈。但如果芯片的指令被锁定,瓶颈就很难解决。「我问我儿子为什么他更喜欢三星(智能手机)而不是苹果,他说是因为如果他想改变什么,他可以让他的一个编程朋友帮他做,因为 Android 是开放的,不像 iOS」。Huang 这样比喻。「这就是我们为什么要把所有的成功都归功于 Dr. Patterson」,Huang 说,「他创造了迄今为止最高效、最优雅的 RISC 架构」。「我们应该叫他圣 Patterson」,Huang 说。Micro Magic 芯片的成功不仅仅是修改指令集那么简单,还有一种经济因素在起作用。Dr. Huang 强调,CISC 或 ARM 的指令集都有 1000 多条指令,而 RISC-V 的指令不到 100 条。由于 RISC-V 指令集简单,Micro Magic 能够使用标准硅晶圆生产其芯片,无需进行特殊调整。这使得使用所谓的 shuttle run 成为可能。在制造过程中,该芯片与其他家的芯片组合在同一个晶圆上。由于晶圆的成本是由多方共同承担的,所以这样可以节省成本。「人们经常讨论用 1 亿美元来做一个定制的 ASIC」,Patterson 说,这意味他们想做一种为特定应用而调整的芯片。「但他们(Micro Magic)没有花 1 亿美元去做这件事」。尽管 Patterson 和 Huang 都没有强调,但还有一个经济因素也在起作用:如果你在 ARM 许可方面没有太多的预算,那么 shuttle run 会让你的处境变得容易一些,因为这样就可以将 ARM 许可费用分摊。Micro Magic 的芯片在 3.08GHz 频率下的功耗是 0.69mW,此时的 CoreMark 分数为 8200 分。考虑到世界上最大的芯片制造商之一英伟达(Nvidia)正以 400 亿美元的价格收购 ARM,这个经济方面的问题开始变得重要起来。Nvidia 首席执行官黄仁勋(Jensen Huang)描述了他对 ARM 雄心勃勃的计划,并且他向华尔街保证,ARM 许可证的持有者、他的竞争对手们不会介意英伟达收购 ARM。但是此举显然为替代品提供了新的机会。当被问及这笔交易时,Patterson 表现得非常谨慎。英伟达是 RISC-V 生态系统的成员,并全心全意地支持该技术。Micro Magic 的 Huang 说,自从 Micro Magic 发布了简短的芯片公告后,就有科技巨头开始联系他。「在那市值总和达到 4 万亿美元的四大科技巨头(苹果、微软、亚马逊、Alphabet)」中,已经有两家公司给我发来了电子邮件」,Huang 说,但他没有透露具体是哪两家公司。Huang 的这个说法为我们提供了一个假设的空间,即苹果或谷歌可能利用该芯片在能效方面取得突破。「谷歌已经拥有了移动开源软件 Android,想象一下,如果他们再拿到最节能、性能最强大的开源 RISC 核心,移动消费者将从中获得多少收益」,Huang 这样说道。「再想象一下最新的苹果手表不需要每晚充电,」这是 Huang 提出的另一种可能性。Huang 说,不管有没有这样的交易,Micro Magic 都希望将其 RISC-V 的知识产权应用到越来越多的设计中,从而在全球电力消耗方面取得实质性的进展。「我们的目的是帮助世界,帮助个人电脑、笔记本电脑世界、平板电脑世界、手机世界、可穿戴设备、游戏、电动汽车和物联网…… 我们的目标是为将世界碳排放量减少一半做出贡献。」五到十年之后,RISC-V 将成为最重要的指令集?一个 CPU 原型并不是一场革命。通过与英特尔和其他公司的实际出货产品进行比较,我们可以发现一个事实,即完成芯片设计需要很多的部件。这就是为什么围绕 RISC-V 的公司生态系统如此重要。目前,宣布将使用 RISC-V 的公司数量虽然不多,但正在增长。Patterson 说:「所有你能想到的产品,甚至是数据中心,都有人在认真考虑 RISC-V」。他说:「我们感觉,最难的地方已经过去了。几年前,我们讨论的是为什么要用 RISC-V,现在,我们讨论的是为什么我不用 RISC-V」。SiFive 是硅谷的一家初创公司,多年来致力基于 RISC-V 的芯片知识产权的研发。八月份,该公司成立了一个业务部门 OpenFive,致力于为各种应用(包括 AI 和边缘计算)生产定制芯片。Patterson 的合作者 Asanović教授是 SiFive 的首席架构师。另一家典型的 RISC-V 生态支持者是台湾的嵌入式处理器制造商晶心科技(Andes Technology。多年来,该公司总共向电子产品制造商出售了数十亿的 CPU 设计。上个月,SiFive 和 Andes Technology 都在著名的芯片技术会议(Linley Fall Processor)上展示了使用 RISC-V 的人工智能新芯片设计。SiFive 告诉 ZDNet,他们现在已经与 80 多家公司达成了 200 多项设计方案,其中包括前十大半导体制造商中的 6 家。凭借 FADU、华米、高通、三星和新思国际在设计领域取得的成功,目前 SiFive 的核心出货量已达数千万。晶心科技在上个月的一份季度报告中对投资者表示,今年约三分之一的收入来自基于 RISC-V 的零部件。大型磁盘驱动器制造商 Seagate Technology 和 Western Digital 都是下个月举行的 RISC-V Summit 的赞助商,这是该生态系统的第三届年度技术峰会。该活动由 RISC-V 国际协会主办,该协会是一家非盈利机构,目前代表了 750 多个致力于推进该标准的缔约方,其中包括中国智能手机供应商华为、芯片制造商赛灵思、高通以及 IBM。Asanović是该组织的主席,Patterson 是副主席。然而,无论 RISC-V 有多成功,我们可能永远不会知道它的全部用途。这是因为,尽管 ARM 和其他商业技术提供商要求被许可方签署文件,但 RISC-V 的使用者无需披露其使用情况。RISC-V 国际协会要求供应商自愿披露使用情况,但不强制。基于这个原因,很难看到 RISC-V 使用范围的具体证据,Patterson 说。最近,Patterson 通过视频与合作者进行了一系列的一对一访谈,以庆祝 RISC-V 十周年。Patterson 告诉 ZDNet,其中一位合作者提出了一个惊人的观点:在五到十年内,RISC-V 可能是世界上最重要的指令集。「一方面,这听起来很疯狂,但这并非不可能。」Patterson 说道。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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