RISC-V高性能計(jì)算需要要解決的三個(gè)問題

近日，OSCHINA 和 Gitee 聯(lián)合發(fā)布了《2022 中國開源開發(fā)者報(bào)告》。

其中?“前沿開源技術(shù)領(lǐng)域解讀” 部分，多位在其領(lǐng)域有所建樹的一線開發(fā)者和開源商業(yè)化公司創(chuàng)始人，對(duì)目前國內(nèi)外流行的前沿開源技術(shù)領(lǐng)域過去的發(fā)展和未來的趨勢進(jìn)行了深入的洞察，覆蓋開源云原生、開源 AI、開源大前端、開源大數(shù)據(jù)、開源 DevOps、RISC-V、開源操作系統(tǒng)、開源數(shù)據(jù)庫、編程語言九大領(lǐng)域。

本篇為 RISC-V 領(lǐng)域的解讀。

憑借指令精簡、模塊化、可擴(kuò)展、開源的優(yōu)勢，RISC-V 架構(gòu)在近幾年備受追捧。尤其是在 2022 年，RISC-V 的發(fā)展勢頭極為強(qiáng)勁，RISC-V 處理器核出貨量突破 100 億顆。隨著國內(nèi)外企業(yè)面向高性能 RISC-V 市場持續(xù)開拓，把 RISC-V 從嵌入式場景拓展到工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛、人工智能、通信、數(shù)據(jù)中心等對(duì)算力要求更高的場景，RISC-V 有望在不久的將來與 X86、ARM 形成三足鼎立之勢。

RISC-V 處理器核出貨量突破 100 億顆

2022 年 7 月，RISC-V 國際基金會(huì)首席執(zhí)行官 Calista Redmond 在嵌入式世界大會(huì)上宣布 RISC-V 架構(gòu)處理器核的出貨數(shù)量已突破 100 億顆。根據(jù) Semico Research 預(yù)測，到 2025 年 RISC-V 架構(gòu)處理器核的出貨數(shù)量將達(dá)到 800 億顆。為了實(shí)現(xiàn)以開源、開放、共建、共治模式發(fā)展 RISC-V 全球生態(tài)，RISC-V 國際基金會(huì)于 2020 年重組為由理事會(huì)、技術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)與技術(shù)工作組等組成的開放治理架構(gòu)，并將總部設(shè)于瑞士日內(nèi)瓦，目前已吸引 70 多個(gè)國家的 3100 多個(gè)會(huì)員。 RISC-V 處理器核出貨量突破 100 億顆，這是 RISC-V 生態(tài)發(fā)展的重要里程碑事件，這標(biāo)志著 RISC-V 生態(tài)發(fā)展呈現(xiàn)明顯加速態(tài)勢。除了出貨量超 100 億顆，還有三個(gè)趨勢彰顯了 RISC-V 有望在不久的將來與 X86、ARM 形成三足鼎立之勢。 （1）已經(jīng)出現(xiàn)一批瞄準(zhǔn)高性能 RISC-V 的國內(nèi)外企業(yè)，性能對(duì)標(biāo) ARM Cortex-A76/A78，甚至 Neoverse-N1/N2，這些企業(yè)將把 RISC-V 從嵌入式場景拓展到工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛、人工智能、通信、數(shù)據(jù)中心等對(duì)算力要求更高的場景。 （2）RISC-V 軟件生態(tài)正在加速，各個(gè)開源軟件社區(qū)主動(dòng)適配 RISC-V 架構(gòu)。以 Linux 發(fā)行版 Debian 為例，2019 年開始支持 RISC-V，在全世界開源社區(qū)努力下不到 3 年時(shí)間就已經(jīng)完成 2 萬多個(gè)軟件包中 95% 的移植，使 RISC-V 成為 Debian 支持的 Tier-1 架構(gòu)。 （3）RISC-V 得到不同級(jí)別企業(yè)的青睞。根據(jù)市場披露數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球 RISC-V 初創(chuàng)企業(yè)融資總金額已超過 20 億美元。英特爾、高通、華為、中興、阿里等頭部企業(yè)均以高級(jí)會(huì)員的身份加入了國際基金會(huì)，其中英特爾設(shè)立 10 億美元 IFS 基金，主要用于 RISC-V 流片服務(wù)。 中國 RISC-V 生態(tài)發(fā)展迅猛，全球 100 億顆 RISC-V 核出貨量中，預(yù)計(jì)中國將占 1/3 到 1/2。中國社區(qū)作為 RISC-V 國際基金會(huì)的工作小組和研發(fā)伙伴，一直是 RISC-V 最強(qiáng)有力的貢獻(xiàn)者之一，在 RISC-V 全球生態(tài)建設(shè)中正起到關(guān)鍵核心作用。

包云崗

現(xiàn)任中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長，北京開源芯片研究院首席科學(xué)家，RISC-V 國際基金會(huì)理事，中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟秘書長。帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)率先開展了一系列開源芯片實(shí)踐，包括開源高性能 RISC-V 處理器核“香山”、“一生一芯”計(jì)劃等，發(fā)表 70 余篇學(xué)術(shù)論文。入選國家高層次科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃，獲 “CCF-IEEE CS” 青年科學(xué)家獎(jiǎng)、共青團(tuán)中央“全國向上向善好青年”等榮譽(yù)稱號(hào)。

RISC-V 高性能計(jì)算要解決的三個(gè)問題

RISC-V 芯片出貨超 100 億顆，這對(duì) RISC-V 新架構(gòu)而言，是一個(gè)不錯(cuò)的里程碑。不過，成果主要集中在嵌入式 SoC 領(lǐng)域。我們觀察到，在 RISC-V 高性能計(jì)算領(lǐng)域，已有多家創(chuàng)新企業(yè)計(jì)劃在 2023 年發(fā)布類似 64 核@2.0GHz 規(guī)格的服務(wù)器級(jí)處理器，這必將成為 RISC-V 下一個(gè)令人激動(dòng)的里程碑。當(dāng)然，關(guān)于 RISC-V 高性能計(jì)算，還有三大問題需要解決： （1）需要為 RISC-V 體系構(gòu)建一套數(shù)學(xué)計(jì)算庫，類似 Intel 處理器的 MKL（Math Kernel Libarary），以支持 RISC-V 在高性能計(jì)算的應(yīng)用，保證計(jì)算精度、計(jì)算效率以及源代碼級(jí)安全可控。 目前業(yè)內(nèi)常用的數(shù)學(xué)計(jì)算庫主要為 Intel 的 MKL 和 AMD 的 ACML，二者都是免費(fèi)的，但不開源，因?yàn)檫@是軟件類核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)。也許您認(rèn)為免費(fèi)不就可以了嗎？但當(dāng)您遇到針對(duì)場景需要優(yōu)化時(shí)，將無能為力。這些代碼誰擔(dān)保它的安全性、可靠性呢？ 雖然有 OpenBLAS、FFTW、Libm 等部分開源項(xiàng)目可以使用，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而且，開源的版本無法保證計(jì)算效率和計(jì)算精度。偏偏這在高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域（AI 計(jì)算、科學(xué)計(jì)算）是至關(guān)重要的。 數(shù)學(xué)計(jì)算庫作為計(jì)算中間件，函數(shù)規(guī)模上以千計(jì)，與計(jì)算性能、安全性、可靠性深度綁定。也就是說，它將最終決定處理器是否能進(jìn)入高性能計(jì)算領(lǐng)域。 （2）如何讓 RISC-V 回歸到計(jì)算機(jī)技術(shù)的垂直整合，而不是橫向分解的時(shí)代？在算力驅(qū)動(dòng)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，計(jì)算硬件將呈現(xiàn)出多樣性。RISC-V 因其開放性，將比 x86 和 arm 生態(tài)更加豐富和多樣，換一種說法就是嚴(yán)重碎片化。如果單純追求硬件計(jì)算性能的 spec 數(shù)據(jù)，很容易滑入橫向分解的邏輯，出現(xiàn)類似 VLIW（Very Long Instruction Word）超長指令這種怪物，數(shù)十億美金化為教訓(xùn)。 RISC-V 應(yīng)該回歸到垂直整合的思路上來，要去思考，如何前瞻性地理解應(yīng)用，從計(jì)算語言到編譯器，再到底層數(shù)學(xué)計(jì)算庫，再到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)方面垂直整合。存量市場只有赤裸裸的性價(jià)比競爭，瞄準(zhǔn)增量市場才有跨越式發(fā)展的可能。 （3）在異構(gòu)計(jì)算時(shí)代，如何構(gòu)建 “RISC-V CPU + 加速卡（GPU、NPU、DSA、FPGA）” 的高性能異構(gòu)計(jì)算軟件棧？面向異構(gòu)計(jì)算黃金時(shí)代，國際三巨頭以其雄厚的資本實(shí)力各自為戰(zhàn)，都在整合異構(gòu)計(jì)算硬件平臺(tái)（CPU、GPU、FPGA等）和布局異構(gòu)計(jì)算軟件棧（CUDA、OneAPI、ROCm），試圖形成自己的軟硬融合的生態(tài)體系，同時(shí)展開封閉和開放生態(tài)之爭。 這也意味著 RISC-V 領(lǐng)域也必須面臨如何解決異構(gòu)生態(tài)的問題，即，如何解決“n 家公司的 RISC-V CPU + m 家公司的加速卡”的硬件組合，這種組合數(shù)量將高達(dá)到 n x m；如何實(shí)現(xiàn)軟硬融合，遵循什么樣的 API 標(biāo)準(zhǔn)（開源/自研）；異構(gòu)計(jì)算軟件棧的應(yīng)投入多少預(yù)算等問題。

王軍輝

澎峰科技聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營官，畢業(yè)于中南大學(xué)。曾在科廣電子、Thomson、Vimicro、中科院計(jì)算所西研院任職，集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)從業(yè)二十多年。

編輯：黃飛

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