RISC-V带给中国CPU和芯片行业发展的历史性机遇

2018-08-10 08:56:15 来源:EEFOCUS
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RISC-V   ARM   CPU   芯片   芯思想

 

微处理器指令集架构(Instruction Set Architecture,ISA)是沟通软硬件运算之间的桥梁,是处理器的灵魂。包括复杂指令集运算(Complex Instruction Set Computing,CISC)、精简指令集运算(Reduced Instruction Set Computing,RISC)、显式并行指令集运算(Explicitly Parallel Instruction Computing,EPIC)、超长指令字指令集运算(Very Long Instruction Word,VLIW)四类。

由于ARM(RISC架构)和Intel(CISC架构)两大巨头的垄断地位、专利限制、高昂专利费,令行业用户越来越不堪重负;两大主流架构无论在技术上、知识产权上还是流程上都愈发臃肿、复杂和缓慢,也在一定程度上限制甚至阻碍了技术的进步和行业的发展。

 

主流的微处理器指令集架构RISC和CISC的对比


6月底arm建立了riscv-basics.com 的网站,以“设计系统芯片之前需要考虑的五件事”为主题从从成本、生态系统、碎片化风险、安全性和设计保证方面攻击RISC-V 攻击。不过RISC-V在7月9日也建立了arm-basics.com 的网站对arm进行反击。次日,也就是7月10日,arm关闭了攻击网站,并发表声明:“我们最初建立网页的目的是列出围绕RISC-V商业化产品需要考虑的关键因素,旨在为激烈的行业辩论提供信息。遗憾的是,结果与我们的初衷不同,这个页面与arm的协作文化不一致,所以我们已经将其删除。事实上,我们的许多员工也表示不喜欢这个网页。立即删除这个网页的是因为我们绝不希望给人一种攻击开源的印象,因为我们也是许多不同领域开源社区的支持者。”

arm与RISC-V的事件只是两个精简指令集竞争的一个缩影。顾名思义,RISC-V是RISC的第五个版本。RISC-V何以会引得arm如此紧张呢?

David Patterson教授和RISC指令集
David Andrew Patterson(1947年11月16日出生)是美国计算机先驱和学者,是美国科学院、工程院、艺术与科学学院三院院士。自1976年以来一直担任加州大学伯克利分校计算机科学教授,并在2016年退休后加入谷歌。他目前还是RISC-V基金会的董事会副主席。

 


Patterson以其对RISC处理器设计的开创性贡献而闻名,创造了RISC这一术语,并领导了Berkeley RISC项目。截至2018年,全球有99%的新芯片使用RISC架构。他还与Randy Katz一起领导RAID存储研究。

Patterson教授因在RISC领域的杰出成就,获得2017年度图灵奖(图灵奖是计算机领域的全球最高奖项,被誉为计算机界的诺贝尔奖)。

我们还是了解一下RISC指令集的情况。RISC的发展可以追溯到1980年代。David Patterson教授是RISC指令集的发明人。1980年,他和学生David Ditzel在“The case for the reducedinstruction set computer”论文中创造了RISC一词。

1981年,在David Patterson的带领下,加州大学伯克利分校的一个研究团队起草了RISC-1,这就是今天RISC架构的基础。RISC-1原型芯片有44500个晶体管,拥有31条指令。包含78个32位寄存器,分为6个窗口,每个窗口包含14个寄存器,另外还有18个全局变量,寄存器占用大部分面积,控制和指令只占用芯片面积的6%,而同时代的芯片设计里要占用约50%的面积。

随后在1983年发布了RISC-II原型芯片,包含138个寄存器,分为8个窗口,每个窗口有16个寄存器,另外还有10个全局变量,但是只有39000个晶体管。接着在1984年和1988年发布了RISC-III和RISC-IV。

而RISC的设计理念也催生了一系列新架构,包含了许多我们耳熟能详的名字,如学术上认为比较成功的DEC Alpha、被写入经典教科书的MIPS、绕过指令级并行度障碍,追求线程级并行的SUN SPARC、服务器的王者IBM Power、以及现在统治嵌入式市场的arm。

RISC-V的冲击
2010年,Patterson教授的研究团队准备启动一个新项目,需要设计CPU,因而要选择一种指令集。他们调研了包括arm、MIPS、SPARC、X86等多个指令集,发现它们不仅设计越来越复杂,而且还存在知识产权问题。

由于ARM、MIPS、SPARC、X86等处理器架构的复杂性和相关知识产权的限制,Patterson教授决定和团队一起发明一种全新的指令集架构,可以被任何学术机构或商业组织自由使用。

于是临时组建一个四人小组,从零开始设计一套全新的指令,四人小组包括David Patterson、Krste Asanovic两位教授与Andrew Waterman、Yunsup Lee两个博士生集!

这个项目的目标是新指令集能满足从微控制器到超级计算机等各种尺寸的处理器,能支持从FPGA到ASIC到未来器件等各种实现,能高效地实现各种微结构,能支持大量的定制与加速功能,能和现有软件栈与编程语言很好的适配,最重要的一点就是要稳定——不会改变,不会消失。

四人小组用了3个月时间完成了RISC-V指令集的初始设计开发,之后于2011年5月第一次公开标准。2014年,RISC-V的第一批标准定型。其间,随着标准的发布和改进,进行了多次流片验证。

RISC-V(第五代精简指令集)是David Patterson教授基于其30多年在精简指令集RISC领域的深入积累,在2010年到2014年期间带领团队研发出的最新一代CPU芯片设计指令集。RISC-V是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA),RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源、设计简单、易于移植Linix系统,采用模块化设计,拥有完整工具链。

RISC-V虽然不是第一个开源的的指令集(ISA),但它很重要,因为这是第一个被设计成可以根据具体场景可以选择适合的指令集的指令集架构。基于RISC-V指令集架构可以设计服务器CPU,家用电器CPU,工控CPU和传感器CPU。

作为一个开源的指令集架构,RISC-V让用户有机会避免Intel x86知识产权体系的锁定和ARM高昂的芯片特许使用费,这使得全球芯片行业的企业都对RISC-V报以极大的关注和兴趣。

Patterson教授和团队于2015年成立了RISC-V基金会以推动RISC-V架构的运用和发展。
 

 

基金会吸引了全世界150多家企业和科研机构的加入,包括Google、IBM、三星、高通、西部数据、英伟达、微软、惠普等国际巨头,也包括中天微、中兴微、华为、阿里、中科院计算所、高云等下多家中国单会员,形成了RISC-V生态圈。

目前已经获得了众多业界巨头的支持,例如英伟达表示在配合GPU使用的底层微控制器中使用RISC-V设计;西部数据宣布未来几年将用RISC-V芯片取代其目前使用的全部处理器芯片;美高森美发布全球第一个支持RISC-V开放指令集体系架构;特斯拉近期已加入RISC-V基金会,准备在新款芯片中使用RISC-V架构。

业界人士表示,众多巨头宣布采用RISC-V,得益于RISC-V的五大优势:
1、极简。RISC-V凭借技术上的后发优势,拥有精简的篇幅长度,比起冗长、指令繁多、互不兼容的传统商业架构,优势十分明显。

2、干净。RISC-V清晰区分了用户和特权指令子集,避免了对特殊微架构和特殊工艺的要求,因此具有普适性,可显著降低成本。

3、模块化。RISC-V的指令分为核心基础指令集和标准可扩展指令子集。基础指令集很小,但是可以根据用户需求去加载扩展集,后者确保了指令能够应用于不同场景。

4、可扩展。充分考虑了芯片设计的可扩展性和专用性需求,具有变长指令编码,并预留了大量的可用编码空间,使得未来指令扩展方便可行。

5、稳定。经过若干年的迭代,基准指令和一些标准可扩展指令已经确定,新功能的实现只需增加扩展子集,而无需发布整个指令集的新版本。

由于RISC-V使用BSD License开源协议,指令集彻底开放,给予使用者很大自由,允许使用者修改和重新发布开源代码,也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。这样吸引了一批创业公司的进入。RISC-V最初的开发者之一Krste Asanovic教授创办SiFive推出全球首款基于开源指令集RISC-V架构的商用SoC Freedom E310-G000和开发板HiFive1;Patterson的弟子谭章熹创立OURS,基于RISC-V架构开发物联网处理器和神经网络加速系统级芯片;法国Greenwave 正使用RISC-V架构为低功耗设备开发人工智能芯片;Esperanto也瞄准人工智能应用,希望能集成4000个RISC-V处理器,展开并行计算。

据业界人士表示,由于ARM高昂的芯片特许使用费,正在逐渐把谷歌(Google)、高通(Qualcomm)、三星(Samsung)等众多高科技公司推到了同一条战线上。巨头们正在试图开发新的开源芯片设计,为智能驾驶、AI等新兴技术提供一种成本更低的芯片。
 

 

 
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