基于RISC-V的處理內(nèi)核的市場分析

作者：Chris Palmer

作為流線型計(jì)算機(jī)芯片指令集架構(gòu)，第五代精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC-V）具有設(shè)計(jì)簡潔、模塊化、開源和有豐富的軟件生態(tài)，現(xiàn)已進(jìn)入了高速發(fā)展階段，不僅可以用于定制處理器，還可以用于定制芯片，應(yīng)用前景廣闊。

中國工程院院刊《Engineering》2022年第10期刊發(fā)《精簡指令集架構(gòu)加速芯片研發(fā)》一文。文章報(bào)道了RISC-V的研究及應(yīng)用進(jìn)展情況，介紹了RISC-V在推動(dòng)芯片研發(fā)方面的潛力，分析了當(dāng)前RISC-V與定制機(jī)器學(xué)習(xí)加速技術(shù)組合后用于智能芯片研發(fā)方面的進(jìn)展。文章指出，RISC-V的發(fā)展前景廣闊，但也面臨一些挑戰(zhàn)，如基于RISC-V的新型軟件編譯器、處理器和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)必須從頭開始建立，這是一項(xiàng)耗時(shí)而昂貴的工作；盡管RISC-V已經(jīng)得到了幾個(gè)Linux發(fā)行版的支持，如Ubuntu、Debian、FreeBSD、NetBSD和OpenBSD，但還沒能適應(yīng)其他一些廣泛使用的操作系統(tǒng)。

此前被人們循序漸進(jìn)采用的流線型計(jì)算機(jī)芯片指令集架構(gòu)（ISA）——第五代精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC-V），現(xiàn)已正式進(jìn)入高速發(fā)展階段。2022年2月初，芯片巨頭英特爾（美國加利福尼亞州圣克拉拉）宣布了對(duì)RISC-V生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行大筆投資，這是英特爾所發(fā)起的10億美元基金的一部分；該項(xiàng)基金用于支持英特爾與其他芯片初創(chuàng)公司之間的合作?；鸬脑O(shè)立不但支持了英特爾發(fā)展其代工業(yè)務(wù)的計(jì)劃，還與該公司同時(shí)宣布加入RISC-V International組織的舉動(dòng)相得益彰。該組織總部位于瑞士蘇黎世，負(fù)責(zé)管理RISC-V（RISC-V是2010年首次引入的免費(fèi)開放式標(biāo)準(zhǔn)ISA）的內(nèi)核和新擴(kuò)展編目。

RISC-V International首席執(zhí)行官Calista Redmond表示：“英特爾與幾家RISC-V成員的合作，向業(yè)界發(fā)出了一個(gè)巨大的信號(hào)，即人們對(duì)RISC-V的興趣與采用正與日俱增。認(rèn)識(shí)到RISC-V將是其代工事業(yè)成功的一個(gè)重要組成部分后，為更得心應(yīng)手地設(shè)計(jì)RISC-V解決方案，英特爾正對(duì)其大力投資?！?/p>

目前，RISC-V市場雖然仍相對(duì)較小，但預(yù)計(jì)將會(huì)快速增長。咨詢和分析公司德勤全球（美國紐約市）預(yù)測，基于RISC-V的處理內(nèi)核的市場將在2022年比2021年翻一番，并在2023年再次翻一番。不過，RISC-V的收益增長速度會(huì)更加緩慢，從2021年的不到4億美元增加到2023年的近8億美元，再到2024年接近10億美元。

在基本層面上，芯片中的ISA可讓軟件直接控制硬件。現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)世界上大多數(shù)設(shè)備的芯片均使用了兩種成熟的專有ISA。在筆記本電腦、臺(tái)式電腦和服務(wù)器硬件芯片中，英特爾x86在過去幾十年一直保持著主導(dǎo)地位。但由于其耗電量大，相比之下，大多數(shù)智能手機(jī)則采用了基于ARM的芯片。現(xiàn)在，美國、歐洲，尤其是亞洲越來越多的公司，均將RISC-V視為對(duì)這些根深蒂固標(biāo)準(zhǔn)的一種極具吸引力的替代和補(bǔ)充選項(xiàng)。

RISC-V是多年來創(chuàng)建的眾多基于RISC的ISA之一（包括ARM在內(nèi)）。2022年3月，有四人因此榮獲了2022年查爾斯·斯塔克·德拉普爾獎(jiǎng)（Charles Stark Drape Prize）。將它稱為“精簡指令集計(jì)算機(jī)”也反映了獲獎(jiǎng)?wù)邆円约八麄儽姸嗪献髡叩哪繕?biāo)，即通過降低核心可執(zhí)行指令集的復(fù)雜性來構(gòu)建更小、更低功耗但性能更好的處理器。四位獲獎(jiǎng)?wù)叻謩e是英國曼徹斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)工程教授Stephen B. Furber、美國加利福尼亞州帕洛阿爾托斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與電子工程教授John L. Hennessy、美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校名譽(yù)教授David A. Patterson以及英國劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Sophie M. Wilson。與x86的1000多條指令和ARM的大約500條指令相比，采用了RISC-V的內(nèi)核只有47條指令，簡直是微不足道。而且，RISC-V還是一種可擴(kuò)展的ISA，這意味著各公司不但可實(shí)現(xiàn)指令集內(nèi)核，還可通過添加已有定義或自定義的指令來擴(kuò)展內(nèi)核，從而創(chuàng)建自己的定制處理器。

此特性讓基于RISC-V的芯片設(shè)計(jì)易于修改，在應(yīng)用于廣泛的數(shù)字應(yīng)用（從高性能計(jì)算、自動(dòng)駕駛車輛和物聯(lián)網(wǎng)到存儲(chǔ)、圖形、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等）時(shí)，具有更大的靈活性。RISC-V處理器開發(fā)公司Ventana Micro Systems（美國加利福尼亞州庫比蒂諾，英特爾的新合作伙伴）創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Balaji Baktha表示：“RISC-V非常先進(jìn)。由于不受30年累積常識(shí)的影響，它成為了一個(gè)‘全新’的架構(gòu)。”

除了提供靈活性外，開放式標(biāo)準(zhǔn)也使RISC-V成為一個(gè)有吸引力的選項(xiàng)，特別是對(duì)于那些既希望設(shè)計(jì)定制芯片，又不希望花費(fèi)數(shù)百萬美元許可費(fèi)來使用專有芯片架構(gòu)的初創(chuàng)公司而言。這兩個(gè)因素讓RISC-V成為了諸如計(jì)算存儲(chǔ)巨頭希捷（美國加利福尼亞州庫比蒂諾）、西部數(shù)據(jù)（美國加利福尼亞州圣何塞）以及電子商務(wù)巨頭阿里巴巴（中國杭州）等公司間交口稱譽(yù)的芯片架構(gòu)。

作為一個(gè)開放式標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于那些可能因出口限制而失去或擔(dān)心失去x86或ARM授權(quán)的公司而言，RISC-V極具吸引力。因?yàn)檫x擇RISC-V，就可以消除他們所擔(dān)心的這個(gè)問題。RISC-V International組織三分之一以上的成員是中國公司，其中包括華為（中國深圳）和阿里云，而且多家中國大公司也已宣布打算使用RISC-V芯片。此外，中國在2021年年底就成立了一個(gè)專門從事RISC-V處理器項(xiàng)目研究的機(jī)構(gòu)，阿里巴巴宣布將致力于把安卓系統(tǒng)移植到RISC-V，中國的兩家公司DeepComputing和Xcalibyte也已經(jīng)開始在深圳制造世界上第一臺(tái)基于RISC-V的筆記本電腦。

通過加入RISC-V的行列，英特爾旨在幫助以RISC-V開發(fā)為重點(diǎn)的公司，包括已宣布的合作伙伴晶心科技（中國臺(tái)灣新竹）、Esperanto Technologies（美國加利福尼亞州山景城）、SiFive（美國加利福尼亞州圣馬特奧）和Baktha創(chuàng)辦的Ventana Micro Systems公司，希望通過為他們優(yōu)先安排生產(chǎn)流程，并與他們合作開發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)的制造技術(shù)，來更快地進(jìn)行創(chuàng)新。

英特爾設(shè)立10億美元基金的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種具有成本效益的模塊化設(shè)計(jì)，將多種類型的處理器內(nèi)核集成在單個(gè)芯片封裝中。這將有助于這家芯片巨頭的新業(yè)務(wù)英特爾代工服務(wù)（Intel Foundry Services）——制造包含多個(gè)小芯片裸片的芯片，并定制x86、ARM和RISC-V內(nèi)核的組合品。Baktha說：“人們總是問英特爾是否將RISC-V視為一種威脅。其實(shí)，英特爾的投資就給出了答案：當(dāng)然不會(huì)。通過讓RISC-V與x86基礎(chǔ)設(shè)施并駕齊驅(qū)，人們才能夠以此前不可能達(dá)到的水平來實(shí)現(xiàn)更多目標(biāo)，如數(shù)據(jù)中心創(chuàng)新?！?/p>

人們對(duì)RISC-V的興趣很大程度上緣于對(duì)人工智能應(yīng)用的需求。Baktha說，基于邊緣的人工智能直接在筆記本電腦等本地設(shè)備上運(yùn)行相關(guān)進(jìn)程和生成數(shù)據(jù)，而不是在云中，因此，“計(jì)算和人工智能需要集成在一個(gè)統(tǒng)一的架構(gòu)中。RISC-V是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一途徑。”半導(dǎo)體咨詢公司Semico Research（美國亞利桑那州鳳凰城）估計(jì)，從現(xiàn)在到2027年，基于RISC-V的人工智能片上系統(tǒng)（SoC，由計(jì)算機(jī)的所有或大部分組件組成的集成電路）將以每年74%的速度增長。此外，Semico還預(yù)測用于消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的RISC-V人工智能片上系統(tǒng)將在同一時(shí)間段內(nèi)每年增長140%，而面向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等高性能計(jì)算機(jī)市場的RISC-V人工智能片上系統(tǒng)將以每年98%的速度增長。

在2010年首次發(fā)布之時(shí)，RISC-V缺乏機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)（包括矩陣乘法）所需的矢量指令。為了克服這一不足，Esperanto Technologies的工程師開發(fā)了他們自己的指令，并將其集成到新芯片ET-SoC-1（圖1）中，之后該公司將ET-SoC-1作為第一個(gè)高性能RISC-V 人工智能芯片進(jìn)行銷售。ET-SoC-1是一款專為提高推理運(yùn)算效率而設(shè)計(jì)的芯片，旨在人工智能推薦系統(tǒng)（根據(jù)人口統(tǒng)計(jì)或先前行為等數(shù)據(jù)向用戶提供相關(guān)建議）中與強(qiáng)大的圖形處理單元競爭，主要面向電子商務(wù)和社交媒體公司。ET-SoC-1的尺寸是其主要競爭對(duì)手英偉達(dá)（Nvidia）的A100芯片的一半，并且其功率僅為A100的十分之一。包括三星在內(nèi)的幾家公司目前正在探索在其設(shè)備中使用ET-SoC-1。

其他最近開發(fā)出人工智能處理器的公司，也正在將RISC-V和定制的機(jī)器學(xué)習(xí)加速技術(shù)進(jìn)行組合。例如，總部位于美國圣何塞的Ceremorphic公司于2022年1月發(fā)布的Hierarchical Learning Processor，就結(jié)合了RISC-V和ARM內(nèi)核及其自己定制的機(jī)器學(xué)習(xí)和浮點(diǎn)運(yùn)算部件。英特爾即將推出一款名為Mobiley EyeQ Ultra旨在為近乎完全自動(dòng)駕駛提供智能的芯片，將在一個(gè)芯片中集成12個(gè)RISC-V內(nèi)核，并輔以專有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，以及一個(gè)ARM CPU。同樣轉(zhuǎn)向采用RISC-V來支持自動(dòng)駕駛的，還有嵌入式人工智能處理器公司Kneron（美國加利福尼亞州圣地亞哥）。2021年11月，該公司開始批量生產(chǎn)其首個(gè)基于新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RISC-V KL530芯片，用于執(zhí)行圖像分類任務(wù)。

2022年6月，已經(jīng)推出了基于RISC-V的Nios V處理器的英特爾公司宣布與西班牙巴塞羅那超級(jí)計(jì)算中心（Barcelona Supercomputing Center）合作建設(shè)一個(gè)4億美元的設(shè)施，來專門開發(fā)用于高性能計(jì)算的RISC-V處理器，以及用于人工智能和自動(dòng)駕駛汽車的專用芯片。此次合作的一個(gè)主要目標(biāo)是創(chuàng)建比當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大1000倍的zettascale系統(tǒng)，英特爾表示將在未來五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一里程碑。

雖然RISC-V的前景看起來很好，但在市場能夠完全接受該ISA之前，開發(fā)者仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。具體而言，某些類型的基于RISC-V的新型軟件編譯器、處理器和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)必須從頭開始建立，這是一項(xiàng)耗時(shí)而昂貴的工作。此外，雖然RISC-V得到了幾個(gè)Linux發(fā)行版的支持，包括Ubuntu、Debian、FreeBSD、NetBSD和OpenBSD，但它還沒能適應(yīng)其他一些廣泛使用的操作系統(tǒng)。

無論如何，像眾多推廣者一樣，Redmond關(guān)注的是RISC-V給計(jì)算世界帶來的靈活性。Redmond說：“幾十年來，只有擁有龐大設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和預(yù)算的公司才能實(shí)現(xiàn)定制硅。RISC-V讓每個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)自由，使各種規(guī)模的公司都有可能推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展，并有機(jī)會(huì)參與競爭?！?/p>

編輯：黃飛

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