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RISC-V終露鋒芒?打破計算架構“雙寡頭”競爭格局

作者:陳玲麗時間:2024-03-28來源:電子產品世界收藏

前言

本文引用地址:http://www.casasmaravilha.com/article/202403/456957.htm

計算機系統的核心是處理器,它負責執行程序中的指令。為了能夠讓處理器理解并執行這些指令,需要有一套規范,這就是(Instruction Set Architecture,ISA)。在計算機歷史的發展過程中,處理器設計出現了兩種主要的:復雜(Complex Instruction Set Computer,CISC)和精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer,RISC)。指令集可以理解為計算機系統中軟件和硬件交互的規范標準,即軟硬件溝通的“橋梁”。

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CISC指令集提供了豐富的指令,減少了程序員的編程工作量,然而較為復雜。隨著計算機科學的發展,人們發現這種復雜性會導致處理器的性能和能效下降。20世紀80年代初,加州大學伯克利分校的David Patterson、斯坦福大學的John L. Hennessy等學者開始嘗試對傳統的CISC進行精簡, RISC便由此誕生,信息技術史上浩浩蕩蕩的CISC與RISC之爭拉開帷幕。

有何不同?

2010年,加州大學伯克利分校的科研團隊在調研了、等現有指令集后,得出主流指令集存在知識產權限制、指令集復雜的結論,于是該團隊從零開始,設計了一套全新的指令集。就在這樣的背景下,(即第五代精簡指令集計算機)作為開源芯片的代表,正式誕生了。羅馬數的V也暗示了“變種(Variations)”和“向量(Vectors)”,以支持各種體系結構研究,包括各種數據并行加速器,也是這個ISA設計的明確目標。

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是一種開放源代碼的指令集架構,開源意味著自由、免費、可控 —— 對于RISC-V指令集的使用,RISC-V基金會不收取高額的授權費;也允許企業添加自有指令集,而不必開放共享,實現差異化發展。另外,RISC-V采用了RISC設計理念,具有簡潔、高效的指令集,只有40多條基本指令,這種設計可以提高處理器的性能和能效,降低功耗。同時,沒有向后兼容的歷史包袱。

由于歷史原因,指令集多達上千頁、沒有模塊化區分,導致很難靈活定制。RISC-V不僅短小精悍,其不同的部分還能以模塊化的方式組成在一起,例如RISC-V基金會制定了向量計算、加解密、壓縮等指令集擴展,用戶在設計芯片時可以選擇是否使用上述擴展,也可定制私有的指令集擴展,如針對通信任務加速定制編解碼指令擴展等。

從而通過一套統一的架構滿足各種不同的應用場景,具有很高的可擴展性。用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合,可以根據不同的應用場景進行定制和優化。例如,可以通過添加定制指令來提高特定任務的性能,或者通過精簡指令集來降低功耗。

降低軟件與硬件“互操作”的成本,追求極致的開發和運行效率是計算機領域技術不斷發展的驅動力,也是指令架構從曾經的十幾種逐步收斂到一兩種的核心原因。開源是指令架構演進的必然趨勢,RISC-V軟件與硬件的互操作界面正處于被不同行業的專家以開放透明的方式制定過程中,吸收全行業對于指令架構的最新需求。

目前在PC及服務器CPU市場,架構占據著近90%的市場份額,這主要因為多年來x86處理器與Windows系統之間的生態的捆綁;在移動CPU市場,則幾乎完全由架構統治,也得益于過去十多年來ARM處理器與Android系統之間的生態捆綁。而RISC-V架構所具備的指令精簡、模塊化、可擴展、開源等特性,所帶來的低功耗、低成本、高能效、高可擴展性等優勢,也與很多物聯網應用天然契合,這也正是RISC-V迅速在物聯網市場獲得成功的關鍵。

物聯網市場雖然整體市場體量不小,但是卻非常的碎片化,很多細分市場不僅培育周期長,出貨量也很有限,價值量也較低。所以對于RISC-V陣營的廠商來說,要想獲得更好的發展,就必須進入到市場更廣闊的PC/服務器、移動終端、汽車等高價值市場,與X86、ARM進行正面競爭,而這首先就必須要突破性能上的瓶頸:針對通用計算RISC-V需要進一步的優化,例如IP核設計、處理器架構、編譯器等方面,都有待改進以提高其性能核能力;通用計算意味著更復雜的軟件生態,而這也是RISC-V亟需完善的地方。

硅谷傳奇芯片架構師Jim Keller在玄鐵RISC-V生態大會的在線視頻演講中也指出,在AI這一方向上,大家認為RISC-V是為AI而生的架構,“RISC-V的潛力是無限的。例如,未來我們會迎來前所未見的AI軟件應用,而RISC-V有望打造出下一代的AI引擎?!?/span>

RISC-V提供AI需要的高性能處理器,同時也可以被設計為支持向量處理器(Vector Processor),提供更高的并行計算能力,優化不同的機器學習算法和應用程序。此外,RISC-V提高性能和改善能效比,從而降低數據中心的能源和運營成本,其也可以被設計為多核處理器,提供更高的并行計算能力和更好的負載均衡。RISC-V的開放性和靈活性也使得處理器可以滿足不同的特定的服務器應用需求。

所謂時勢造英雄,在PC時代,依托Intel等少數巨頭的強大技術實力,完全封閉的x86架構成為了PC和服務器的主流架構;而進入移動互聯網時代后,更豐富的應用場景讓生態的概念愈發重要,采用IP授權模式、「半開放」的ARM架構成功“上位”。移動互聯網之后,隨著人工智能等技術應用熱潮此起彼伏,新型算力需求激增,業界正期待一種完全開源、依托開放生態的全新選擇,RISC-V由此開始備受行業追捧,它很可能打破“雙寡頭”的競爭格局,成為計算架構“第三極”。

RISC-V終露鋒芒?

回溯發展歷程,RISC-V在證明其商業化價值的路上不可謂不快。在物聯網市場站穩腳跟后,快速向更高性能、更加縱深的方向去發展。當前,RISC-V的出貨量已經足以證明其具有良好的商用場景,并且已經完成了從物聯網單點突破向各領域多點開花的生態跨越,RISC-V步入生態大繁榮的前夜。

無論是x86還是ARM架構,都是在新興市場和新興應用中成長起來的。RISC-V也要率先找到突破口,形成規?;瘧玫氖痉缎?,再逐漸向更多領域擴展,然后形成一個“滾雪球”似的生態循環。隨著RISC-V生態完備度及市場需求進一步增長,從物聯網市場走向高性能領域是RISC-V近年來的發展主線,也是芯片架構走向主流的重要標志。

AI正成為RISC-V的新機遇。越來越多的AI引擎采用RISC-V,有直接采用RISC-V Vector、Matrix指令實現彈性算力的,也有采用RISC-V作為主控,實現NPU(網絡處理器)加速引擎的。

· 2023年5月,Meta基于RISC-V架構推出首代AI推理加速器。

· 2023年6月,谷歌、英特爾、英偉達、高通、阿里等13家企業發起的全球RISC-V軟件生態計劃“RISE”正式啟動,旨在加速RISC-V的軟件生態建設及應用商業化進程,成員將聯合推動RISC-V處理器在移動通信、數據中心、邊緣計算及自動駕駛等領域的市場化落地。

· 2023年10月,高通宣布將與谷歌合作推出基于RISC-V架構、支持Wear OS系統的智能穿戴芯片,并將在全球市場進行商用推廣。

有研究顯示云計算處理了近95%的工作負載和計算實例,是對芯片底層技術要求最高的領域之一,如果一個指令集不能在云數據中心實現規?;瘧?,很難稱其在云計算領域獲得了成功。一般來說,芯片指令集走向云計算可以分為四個階段。第一個階段是指令集的設計和完善以及高性能芯片設計制造;第二個階段是服務器等整機設備的研發;第三個階段是應用生態適配;第四個階段是大規模應用普及。目前業界已經突破了高性能RISC-V芯片的設計制造和服務器的研發,正在積極推進云計算應用生態的適配。

RISC-V在國際上已經形成了一定范圍內的技術共識,有較好的技術委員會指導,有助于建立體系化、繁榮的生態。根據投資機構ARK Invest的預測,到2030年,ARM和RISC-V可能成為新的處理器標準,在云業務領域取代英特爾×86架構,ARM+RISC-V的組合所占據的市場份額,將從2020年的零,增加至2030年的71%。

在技術創新和市場需求的雙輪驅動下,RISC-V發展潛力盡顯,被寄予與英特爾x86和ARM架構三分天下的厚望。在此趨勢下,RISC-V不斷強勢擴張自己的“朋友圈”。行業巨頭入局 RISC-V,已成為全球技術及市場演進發展的風向標之一。

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對芯片設計企業而言,相較于完全封閉的x86架構和需要不菲授權費用的ARM架構,RISC-V的開源模式能夠大幅降低芯片設計的周期和成本,并依托越來越繁榮的生態,迅速覆蓋更多的應用。這些優勢讓RISC-V從最初的被觀望狀態,很快便成為半導體產業的新寵,發展速度遠超預期。

據RISC-V International統計,2022年全球采用RISC-V架構的處理器出貨量超過100億顆,ARM架構用了17年完成了這一里程碑,而RISC-V只用了12年。預計未來幾年RISC-V采用率將以40%年復合增長率增長,2030年RISC-V架構芯片更有望突破160億顆。

在未來,隨著生態建設的加強和技術成熟度的提高,RISC-V有望在各個領域實現廣泛的市場應用,開啟硬件革命的新篇章。



關鍵詞: RISC-V 架構 指令集 ARM x86

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