64位RISC-V CPU發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）2020年，ARM公司宣布，其所有“大型” CPU內(nèi)核將僅采用64位。同時(shí)，ARM公司在ARMv9指令集方面做出實(shí)際行動(dòng)，2021年上市的ARMv9的第一代產(chǎn)品，包括Cortex-X2、A710等CPU，全部放棄32位，轉(zhuǎn)向64位架構(gòu)。

此情此景，我們禁不住將目光投向揚(yáng)言“ARM架構(gòu)要小心了”的RISC-V架構(gòu)，ARM這波“梭哈”RISC-V跟了嗎？

64位RISC-V CPU發(fā)展情況

實(shí)際上，目前RISC-V已經(jīng)開始64位CPU的研發(fā)，也已經(jīng)有相關(guān)內(nèi)核和產(chǎn)品面市，比如平頭哥64位RISC-V C906。

既然RISC-V已經(jīng)跟進(jìn)了這波趨勢，那么我們就需要知道為什么ARM如此堅(jiān)決地轉(zhuǎn)向64位，而RISC-V又為何要跟進(jìn)呢？從理論上講，面對當(dāng)前日益爆發(fā)的大數(shù)據(jù)，64位字長的CPU單次能夠處理的字節(jié)數(shù)更多，配合上高效的軟件系統(tǒng)，能夠在有效的時(shí)間內(nèi)處理更大規(guī)模的數(shù)據(jù)。此外，從設(shè)備終端的效果來看，64位CPU被證明處理的效率更高，有更快的運(yùn)行速度，同時(shí)系統(tǒng)時(shí)延更低。

從32位到64位，相同字長產(chǎn)品在不同代際之間的性能提升也更為明顯。以ARM Cortex-X3為例，作為一款64位的超大核，與上代安卓旗艦相比性能提升25%，與筆記本電腦性能相比提升34%。

分析人士認(rèn)為，32位處理器架構(gòu)和產(chǎn)品的邊際已現(xiàn)，在應(yīng)對人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和4K高清顯示等方面尤其如此，這個(gè)移動(dòng)端曾經(jīng)的主流字長數(shù)已經(jīng)英雄遲暮，性能改進(jìn)空間與日俱減。

在64位RISC-V產(chǎn)品方面，平頭哥的C906和C910是比較有代表性的產(chǎn)品。2021云棲大會(huì)上，平頭哥開源了玄鐵RISC-V系列處理器，包括E902、E906、C906、C910。2022年4月份，根據(jù)全球權(quán)威AI基準(zhǔn)測試MLPerf發(fā)布的最新榜單，在聚焦低功耗、高能效的IoT領(lǐng)域Tiny v0.7榜單中，基于平頭哥玄鐵RISC-V C906處理器的軟硬件聯(lián)合優(yōu)化方案，取得了全部4個(gè)指標(biāo)的第一，包含視覺喚醒、圖像分類、語音喚醒及異常監(jiān)測4個(gè)典型AI任務(wù)。值得注意的是，參與這項(xiàng)評選的也有ARM架構(gòu)核心，以及其他自研的核心。

玄鐵910是平頭哥于2019年7月發(fā)布的核心，支持16核，主頻為2.5GHz，在發(fā)布之初，玄鐵910擁有兩大創(chuàng)新，分別為3發(fā)射8執(zhí)行的復(fù)雜亂序執(zhí)行架構(gòu)和擴(kuò)展了50多條指令，可用于設(shè)計(jì)制造高性能端上芯片，應(yīng)用于5G、人工智能以及自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。

在核心層面，我們看到晶心科技也推出了多款64位RISC-V內(nèi)核，包括AX45MP、NX45、AX27L2等。AX45MP為超純量多核64位RISC-V內(nèi)核，相較于前一版本，增加高達(dá)3倍的內(nèi)存帶寬，并且它的浮點(diǎn)運(yùn)算性能提升超過20%的Whetstone benchmark分?jǐn)?shù)，L1 cache miss而Level-2 Cache hit的延遲也降低了一半，具有用于基于 Linux 的應(yīng)用程序的 MMU、用于高效分支執(zhí)行的分支預(yù)測、1 級指令/數(shù)據(jù)緩存和用于低延遲訪問的本地存儲器，應(yīng)用市場包括高性能應(yīng)用處理器、機(jī)器/深度學(xué)習(xí)加速、大型網(wǎng)絡(luò)控制器、ADAS/V2X/IVI等。

根據(jù)相關(guān)報(bào)道，晶心科技是首家將RISC-V兼容性納入并邁向64位處理器的主流CPU IP公司，于2017年第四季推出AndesCore? NX25。

從產(chǎn)品定義來看，64位RISC-V內(nèi)核的主要對應(yīng)產(chǎn)品是高端MCU/MPU，以及高性能運(yùn)算市場。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，SiFive、阿里平頭哥、晶心科技、芯來科技和中科院計(jì)算所都發(fā)布了高性能64位RISC-V CPU 。

瑞薩電子 3 月份發(fā)布了基于64位RISC-V CPU內(nèi)核的RZ/Five通用微處理器（MPU）——RZ/Five采用Andes AX45MP。瑞薩電子在產(chǎn)品介紹中表示，社會(huì)對太陽能逆變器或家庭安全系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的需求正在增加，以收集傳感器數(shù)據(jù)并連接至服務(wù)器或云。RZ/Five針對這一需求進(jìn)行了優(yōu)化，可提供物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備所需的性能和外圍功能。在軟件方面，RZ/Five通過工業(yè)級CIP Linux提供長期Linux支持。

綜合而言，RISC-V未來更大的增長機(jī)會(huì)在64位，所面向的是人機(jī)交互、智能座艙、高精度電機(jī)控制、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿市場，這些市場的未來成長性都更高。

64位RISC-V CPU的未來

從當(dāng)前的市場情況來看，不像ARM架構(gòu)是從32位逐漸轉(zhuǎn)向64位，RISC-V架構(gòu)是同時(shí)從32位和64位發(fā)力，遇到的挑戰(zhàn)也是相同的。

我們看ARM架構(gòu)轉(zhuǎn)向64位的過程，隨著安卓內(nèi)核成功移植到64位ARM核心產(chǎn)品上之后，相關(guān)的應(yīng)用程序和程序庫等已經(jīng)同時(shí)全面支持32位和64位ARM架構(gòu)產(chǎn)品，驍龍8 gen1與天璣9000這些旗艦級芯片都已經(jīng)采用Cortex-X2超大核、Cortex-A710大核和Cortex-A510小核的CPU架構(gòu)方案。而蘋果自A7開始就玩轉(zhuǎn)64位ARM架構(gòu)，iOS等操作系統(tǒng)對此已經(jīng)完美支持。

此外，早在2020年就有報(bào)道稱，有部分企業(yè)推出了基于ARM平臺的Windows平板或者筆記本。而后微軟通過開發(fā)者博客宣布，已通過Windows內(nèi)部開發(fā)頻道推出了第一個(gè)可用于ARM64設(shè)備的x64仿真的預(yù)覽版Build 21277，這意味著使用ARM芯片的筆記本用戶可以從Windows商店或其他渠道安裝x64程序。

由于ARM架構(gòu)在移動(dòng)和嵌入式市場超高的市占比，加上其多年經(jīng)營的生態(tài)系統(tǒng)，在軟件層面得到了較為充分的支持。

而對于RISC-V而言，64位RISC-V CPU內(nèi)核和相關(guān)產(chǎn)品的出現(xiàn)填補(bǔ)了 RISC-V 在高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的空白，后續(xù)需要繼續(xù)豐富核心的種類，以及提升核心的性能。同時(shí)，RISC-V在人才、軟件及應(yīng)用生態(tài)等方面的短板還是真實(shí)存在的，在編譯器、調(diào)試器、OS、基礎(chǔ)庫等基礎(chǔ)方面都和ARM架構(gòu)有較大的差距，并且尚未形成具有代表性的大規(guī)模商用案例。

此前，在愛普特微電子在發(fā)布64位高可靠通用MCU——APT32F706 MCU時(shí)，愛普特微電子董事兼副總經(jīng)理袁永生表示，現(xiàn)階段MCU基本都是基于ARM架構(gòu)的產(chǎn)品，用RISC-V做MCU面臨平臺移植和軟件生態(tài)難題，無論是工程師，還是終端客戶，從ARM轉(zhuǎn)到RISC-V都需要付出巨大的學(xué)習(xí)成本。

積極的信號是，作為后發(fā)架構(gòu)，RISC-V能夠走很多捷徑，且開放開源的特性得到全球開發(fā)者的認(rèn)可，并擁有豪華的會(huì)員單位成員，這些都讓RISC-V相較于ARM跑的更快，彼此的差距在縮小。

審核編輯 黃昊宇