從平頭哥無劍600看RISC-V的高性能之路

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）目前，距離2022RISC-V中國峰會(huì)上阿里平頭哥發(fā)布無劍600已經(jīng)過去了很多天了，不過產(chǎn)業(yè)界對(duì)于RISC-V發(fā)力高性能運(yùn)算市場的討論聲卻愈發(fā)趨向鼎沸，不見消退之勢。

那么，本文我們就再次透過無劍600及SoC原型“曳影1520”來看一下RISC-V進(jìn)軍高性能運(yùn)算市場的前路，哪些方面是有跡可循的，哪些方面需要基于RISC-V架構(gòu)進(jìn)行原始創(chuàng)新。

首先，我們還是簡單回顧一下無劍600這個(gè)芯片平臺(tái)。根據(jù)平頭哥半導(dǎo)體副總裁孟建熠的介紹，無劍600平臺(tái)是全球RISC-V性能最高的可量產(chǎn)SoC芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)：它支持4核高性能RISC-V處理器，最高主頻可達(dá)2.5GHz，實(shí)現(xiàn)了CPU+XPU異構(gòu)架構(gòu)的全面優(yōu)化；支持64位LPD-DR4X，最高吞吐率4266MT；整合4TOPs的Int8AI算力；全流程滿足GPTEE國際安全標(biāo)準(zhǔn)。

為了證明無劍600這條路是可行的，是能夠走通的，因此平頭哥基于無劍600平臺(tái)“打樣”了曳影1520。那么，上述這些就是背景了。匯總起來就是，平頭哥的無劍600為RISC-V提供了一個(gè)方法論，幫助產(chǎn)業(yè)界跨越了很多原始創(chuàng)新。

雖然業(yè)界都很關(guān)注無劍600平臺(tái)，不過目前少有人從其上面去推斷接下來一段時(shí)間RISC-V該如何走？RISC-V的高性能如何從核心層面延伸到芯片平臺(tái)？

主頻提升的挑戰(zhàn)

首先，走向高性能，基于RISC-V實(shí)現(xiàn)的芯片需要實(shí)現(xiàn)高主頻，無劍600的最高主頻可達(dá)2.5GHz。如果大家將無劍600和現(xiàn)在基于RISC-V實(shí)現(xiàn)的MCU去比對(duì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這之間的跨度非常大，因?yàn)槟壳昂芏嘣擃愋偷腗CU主頻均低于200MHz。

對(duì)于計(jì)算芯片而言，主頻的高低是性能的一個(gè)典型特征，在不考慮能耗和散熱等問題的情況下，主頻越高芯片迸發(fā)的性能會(huì)越強(qiáng)勁，CPU的性能=時(shí)鐘頻率*IPC（IPC即一個(gè)時(shí)鐘周期完成的指令數(shù)），這也就是為什么硬件發(fā)燒友會(huì)熱衷于做英特爾和AMD芯片的超頻，因?yàn)檫@是對(duì)性能的極致壓榨。

因此對(duì)于RISC-V做高性能計(jì)算芯片而言，第一個(gè)要解決的問題就是頻率升高帶來的功耗和散熱問題。此外，主頻提升還會(huì)帶來芯片流水線設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，以及對(duì)工藝和散熱體系有了更高的要求。

同質(zhì)多核的挑戰(zhàn)

其次，英特爾和AMD在本世紀(jì)初的斗爭已經(jīng)表明，單純提升單核主頻是一條并不明智的路線，多核協(xié)同是現(xiàn)階段的主要途徑。我們從無劍600來看，它最多可以支持四核。過往筆記本和服務(wù)器處理器的多核屬于同質(zhì)多核，核心都叫CPU，傳統(tǒng)MCU和MPU的多核基本也是如此。多核能夠在工作負(fù)載處理上帶來顯著的提升，比單核提升主頻要有效的多。

然而，同質(zhì)多核一個(gè)典型的改變是并行架構(gòu)和程序的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，從單核到多核，這方面會(huì)有本質(zhì)性的改變，便會(huì)帶來巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，對(duì)軟件程序也有更高的要求。并且，在多核設(shè)計(jì)的過程中，就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存爭奪和資源爭奪，也就是系統(tǒng)調(diào)配需要能夠順從并發(fā)程序，否則資源利用率將大打折扣。此外，多核在系統(tǒng)新的時(shí)間動(dòng)態(tài)下會(huì)出現(xiàn)新的錯(cuò)誤類型，這在傳統(tǒng)CPU方面已經(jīng)證明過了，如何解決這些新問題、新BUG，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

異構(gòu)多核的挑戰(zhàn)

從當(dāng)前的計(jì)算芯片發(fā)展趨勢，以及無劍600的布局來看，未來異構(gòu)計(jì)算是一個(gè)必然的趨勢，讓專業(yè)的人做專業(yè)的事情，這就是異構(gòu)計(jì)算的精髓所在。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，僅僅是中國市場，異構(gòu)計(jì)算類型的服務(wù)器市場規(guī)模到2023年就將達(dá)到44.5億美元，比2019年翻倍還要多。

正如上面介紹提到的，無劍600實(shí)現(xiàn)了CPU+XPU異構(gòu)架構(gòu)的全面優(yōu)化。XPU是異構(gòu)計(jì)算的典型特征，成為半導(dǎo)體芯片廠商競爭的新賽道，包括DPU、APU、TPU、IPU等多種類型，就像DPU性能描述的那樣，它是處理CPU處理不好，而GPU處理不了的任務(wù)，其他的XPU其實(shí)出發(fā)點(diǎn)也是類似的。

從RISC-V架構(gòu)優(yōu)勢來看，其開源、模塊化、可擴(kuò)展的特性和XPU理念是不謀而合的，能夠幫助異構(gòu)計(jì)算塑造更多類型的XPU核心，幫助完成處理器內(nèi)部多核的多元化，實(shí)現(xiàn)CPU的任務(wù)卸載，讓CPU回顧系統(tǒng)調(diào)度的本質(zhì)工作。

然而異構(gòu)多核就意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，需要更好的硬件系統(tǒng)平衡性來達(dá)到最佳的性能，并且需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這些層面RISC-V都處于建設(shè)中的狀態(tài)，因此需要雙軌并進(jìn)，那么挑戰(zhàn)自然就會(huì)大得多。

RISC-V的老生常談

對(duì)于RISC-V而言，上面的挑戰(zhàn)雖然大，不過相較于接下來的這個(gè)挑戰(zhàn)，那些挑戰(zhàn)都更容易克服，都不叫事兒。

很多業(yè)者都認(rèn)同的是，對(duì)于RISC-V而言，成敗只看生態(tài)。

目前RISC-V已經(jīng)明確了此后一段時(shí)間里操作系統(tǒng)的目標(biāo)——Linux、RTOS和安卓。不過，雖然無劍600成功適配了Linux、安卓等諸多操作系統(tǒng)，不過還需要解決軟件生態(tài)的問題。綜合而言，RISC-V要解決的生態(tài)短板包括IP、設(shè)計(jì)工具、工具鏈、基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用研發(fā)等多個(gè)層面，對(duì)于沖擊高性能計(jì)算市場的RISC-V而言，這些方面當(dāng)前更顯貧瘠，但卻是一個(gè)繞不開的坎。