中科院重磅發(fā)布國(guó)產(chǎn)開(kāi)源高性能RISC-V處理器“香山”

6月22日至25日上午，首屆RISC-V中國(guó)峰會(huì)在上海科技大學(xué)舉辦。本屆大會(huì)上中科院大學(xué)教授、中科院計(jì)算所研究員包云崗重磅發(fā)布國(guó)產(chǎn)開(kāi)源高性能RISC-V處理器“香山”。

根據(jù)包云崗在知乎上發(fā)出的介紹，香山是一款開(kāi)源RISC-V處理器核，是在中科院計(jì)算所、鵬城實(shí)驗(yàn)室的支持下，通過(guò)中國(guó)開(kāi)放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟聯(lián)合業(yè)界企業(yè)一起開(kāi)發(fā)的。北京微核芯科技有限公司提供了產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)、聯(lián)合完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及物理設(shè)計(jì)。

香山處理器基于Chisel硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，支持RV64GC指令集。在香山處理器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)使用了包括Chisel、Verilator 等在內(nèi)的大量開(kāi)源工具，實(shí)現(xiàn)了差分驗(yàn)證、仿真快照、RISC-V檢查點(diǎn)等處理器開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)工具，建立起了一套包含設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證等在內(nèi)的基于開(kāi)源工具的處理器前端敏捷開(kāi)發(fā)流程。

值得一提的是，香山處理器二期將與微核芯科技、字節(jié)跳動(dòng)、ESWIN、優(yōu)矽科技聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

包云崗表示，香山處理器的架構(gòu)代號(hào)將以湖命名：第一版架構(gòu)代號(hào)為“雁棲湖”，第二版架構(gòu)代號(hào)為“南湖”，第三版、第四版和后續(xù)版本將依然以湖命名（X湖、Y湖……）。

第一版架構(gòu)“雁棲湖”是一個(gè)11級(jí)流水、6發(fā)射、4個(gè)訪存部件的亂序處理器核?！把銞痹?020年6月代碼倉(cāng)庫(kù)完成建立，2021年4月完成RTL代碼。

“雁棲湖”計(jì)劃在7月基于臺(tái)積電28nm工藝流片，目前頻率為1.3GHz，預(yù)估SPEC CPU2006分值在7分/GHz左右。這款產(chǎn)品主要對(duì)標(biāo)ARM A72、A73。

第二版架構(gòu)“南湖”計(jì)劃在今年年底流片，將采用中芯國(guó)際14nm工藝，目標(biāo)頻率為2GHz，SPECCPU分值達(dá)到10分/GHz。

根據(jù)介紹，“南湖”相比第一版“雁棲湖”相比性能有大幅度提高，已經(jīng)接近i9-10900K的11.08/GHz，并且支持雙通道 DDR 內(nèi)存以及PCIe、USB、HDMI等更多功能。

“雁棲湖”架構(gòu)在發(fā)射寬度上已能與一些ARM高端處理器核相當(dāng)，不過(guò)目前還未進(jìn)行充分地優(yōu)化，因此實(shí)際性能還有不小的差距。他希望未來(lái)能夠通過(guò)從“雁棲湖”到“南湖”再到“X湖”、“Y湖”的新架構(gòu)持續(xù)迭代優(yōu)化，達(dá)到ARM A76水平的性能。

包云崗希望“香山”能夠存活30年，并約定30年后再聚一聚。除此之外，香山將保持半年更新一代架構(gòu)的迭代優(yōu)化頻率，每年2次流片并對(duì)新架構(gòu)、新功能進(jìn)行驗(yàn)證，建立規(guī)范的開(kāi)源社區(qū)管理機(jī)制。

包云崗強(qiáng)調(diào)，流程/平臺(tái)/基礎(chǔ)設(shè)施非常重要，他更多是扮演啦啦隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)的角色，真正將理念落實(shí)到了具體行動(dòng)的是他的“小伙伴們”。

去年7月25日，由包云崗負(fù)責(zé)的“一生一芯”計(jì)劃成果被爆出后，引發(fā)了社會(huì)不小的討論。彼時(shí)，包云崗介紹表示，這項(xiàng)計(jì)劃源于對(duì)“如何將教學(xué)和開(kāi)源芯片結(jié)合起來(lái)”這一問(wèn)題的思考，更啟發(fā)于中國(guó)通訊科技巨頭華為面臨的芯片困境。包云崗曾與華為專家交流，了解到短期內(nèi)的需求華為自己基本能應(yīng)對(duì)，而最需要的是處理器芯片設(shè)計(jì)人才。

據(jù)他的介紹，“一生一芯”計(jì)劃的五位同學(xué)在本科一畢業(yè)就加入了香山的開(kāi)發(fā)，成為了技術(shù)骨干。

RISC-V是伯克利大學(xué)發(fā)明的一種特定指令集架構(gòu)，嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)，并不是一種全新的架構(gòu)，它與我們熟悉的ARM同屬RISC（精簡(jiǎn)指令集，Reduced Instruction Set Computer）范疇。目前市面上主流的架構(gòu)分為RISC和CISC（復(fù)雜指令集，Complex Instruction Set Computer）兩種，RISC專注于低功耗、高性能功耗比，主要面向小體積以及移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，CISC強(qiáng)調(diào)運(yùn)算性能，專注桌面電腦、服務(wù)器和超算市場(chǎng)。RISC的代表為ARM，而CISC的代表則是我們耳熟能詳?shù)膞86。

RISC-V可以看做是現(xiàn)有RISC的更升級(jí)版，從架構(gòu)的推出在時(shí)間上來(lái)說(shuō)，具備后發(fā)優(yōu)勢(shì)，可以規(guī)避許多現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中存在的漏洞，如前段時(shí)間大熱的Spectre以及meltdown漏洞，已經(jīng)明確是與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系中分支預(yù)測(cè)和亂序執(zhí)行功能有關(guān)。由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)，多年來(lái)在不斷成熟的過(guò)程中暴露的問(wèn)題都已經(jīng)被研究透徹，ARM和x86無(wú)法輕易堵住的問(wèn)題，RISC-V架構(gòu)的新誕生沒(méi)有向后兼容的歷史包袱，則可以輕松避免。

從國(guó)內(nèi)廠商到國(guó)外巨頭，RISC-V已經(jīng)成為“搶灘爭(zhēng)奪戰(zhàn)”的重點(diǎn)。

平頭哥是阿里巴巴于2018年9月成立的一家半導(dǎo)體公司，該公司整合了阿里達(dá)摩院半導(dǎo)體部門和此前收購(gòu)的中天微電子。

成立之初，阿里巴巴曾表示要做兩類芯片，分別是用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的NPU（微處理器）和嵌入式芯片，而基于的芯片架構(gòu)則是業(yè)界一致看好的RISC-V。

最近的一則消息顯示，玄鐵系列嵌入式CPU，實(shí)現(xiàn)了指令集、處理器架構(gòu)及配套工具鏈的創(chuàng)新突破，量產(chǎn)超20億顆。

除此之外，平臺(tái)哥還在今年5月18日發(fā)布新款處理器玄鐵907，該處理器對(duì)開(kāi)源RISC-V架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并首次實(shí)現(xiàn)了RISC-V最新的DSP指令標(biāo)準(zhǔn)，兼顧高性能及低功耗特點(diǎn)，可應(yīng)用于MPU（微處理器）、智能語(yǔ)音、導(dǎo)航定位、存儲(chǔ)控制等領(lǐng)域。

英特爾作為x86陣營(yíng)的巨頭，本月上旬被爆料收購(gòu)基于RISC-V架構(gòu)的IP供應(yīng)商SiFive的消息。20億美元（約合人民幣128億元）的收購(gòu)價(jià)格，引起業(yè)界一片嘩然。

消息還未及時(shí)得到證實(shí)，傳言就越來(lái)越大。國(guó)外科技媒體“The Register”報(bào)道顯示，英特爾與SiFive已開(kāi)啟在高性能RISC-V處理器設(shè)計(jì)驗(yàn)證及代工方面的合作。英特爾推出了基于其7nm工藝及SiFive RISC-V高性能內(nèi)核IP的“Horse Creek”開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

業(yè)界認(rèn)為，收購(gòu)并進(jìn)入RISC-V領(lǐng)域是對(duì)NVIDIA收購(gòu)ARM的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖，這樣不僅能夠豐富英特爾自身IP授權(quán)的多元化布局，還可以給自己剛剛開(kāi)放的芯片代工引流。

但無(wú)論如何，此舉對(duì)于RISC-V架構(gòu)本身都是一種利好，這是因?yàn)閤86架構(gòu)和ARM之所以成功就是因?yàn)榉e累多年的“生態(tài)墻”，巨頭的進(jìn)發(fā)必然能夠壯大RISC-V的生態(tài)。

甚至，曾經(jīng)叱咤風(fēng)云的MIPS架構(gòu)也“投敵”RISC-V，放棄了具有悠久歷史和技術(shù)聯(lián)系的同名架構(gòu)。此舉顯然預(yù)示著MIPS作為CPU系列的終結(jié)，并進(jìn)一步減少了可用處理器的種類。這是架構(gòu)的最后一環(huán)。

為何RISC-V的誕生還是受到了業(yè)界的大力追捧？答案有以下四點(diǎn)：

1、 免費(fèi)是最好的招牌；2、 大道至簡(jiǎn) ，RISC-V指令格式不同type之間規(guī)律性很強(qiáng)；

3、 RISC領(lǐng)域市場(chǎng)巨大；4、 新技術(shù)意味著新機(jī)遇。

通用處理器一直以來(lái)都是國(guó)產(chǎn)的“痛”，相比x86架構(gòu)和ARM架構(gòu)，開(kāi)源RISC-V架構(gòu)無(wú)疑是目前國(guó)產(chǎn)處理器的好選擇。

“為什么CPU領(lǐng)域還沒(méi)有一個(gè)像Linux那樣的開(kāi)源主線？1991年開(kāi)源的Linux誕生，到今天正好30年”，包云崗如此設(shè)想，正因這樣的想法，才得以有香山處理器的問(wèn)世。包云崗表示和團(tuán)隊(duì)的唐丹博士一直認(rèn)為要建立一個(gè)像Linux那樣的開(kāi)源RISC-V核主線。

網(wǎng)友評(píng)論表示：“首先，RISC V現(xiàn)在挑戰(zhàn)的目標(biāo)是ARM，而包云崗老師團(tuán)隊(duì)自帶發(fā)起的是一項(xiàng)開(kāi)源芯片項(xiàng)目，目標(biāo)是要和linux一樣，做一個(gè)開(kāi)源芯片社區(qū)。本次開(kāi)發(fā)過(guò)程中有多項(xiàng)突破，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言上，采用了chisel語(yǔ)言，而非傳統(tǒng)的，verilog，同時(shí)配套做了很多工具，其次差分驗(yàn)證框架也是一。”

相信在更多巨頭進(jìn)入RISC-V領(lǐng)域后，RISC-V的生態(tài)會(huì)逐漸被完善，香山處理器就是邁出的重要一步。

編輯：jq