從歷屆 HotChips 檢視 RISC-V 的發展

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 29 日 8:00 | 分類 處理器 , 軟體、系統 Telegram share ! follow us in feedly


2021 年 3 月,擁有 MIPS 智慧財產權的 Wave Computing,宣布放棄 MIPS 指令集,轉向 RISC-V,剛好跟當代兩位合著兩本經典教科書(白算盤、計量方法)的 RISC 大師有所關聯:創造 MIPS 的 John Hennessy,與帶領 RISC-V 研發團隊的 David Patterson。

對於經歷過 SGI 繪圖工作站與 Irix 作業系統全盛時期的老一輩 IT 人,或著一路讀著他們著作成長的科班人士,看到昔日高高在上的 RISC 諸神,繼 PA-RISC、Alpha、IA-64 後 (加上看似岌岌可危的SPARC),又將再消失一個,想必內心多少有股不勝唏噓之感。

然後很可笑的,幾乎所有的媒體報導,都千篇一律耗費大量篇幅去解釋「什麼是指令集架構(ISA, Instruction Set Architecture),為什麼這麼重要」,彷彿計算機結構(Computer Architecture)一詞由來過去數十年來從不存在,到今天才從天上掉下來。高談闊論「RISC 指令集的先天優勢」就更好笑了,先別提這些老早就是教科書的基本知識,這些人是沒看到 20 世紀末期是如何上映「RISC 諸神的黃昏」嗎?

言歸正傳。問世於 2010 年,由當代計算機結構大師 David Patterson 所領導的 RISC-V(第五代 RISC 架構)指令集,因其開源與可自訂客製化指令的特性,加上 ARM 自身節節高升的研發開銷與營運成本,都羊毛出在羊身上的轉嫁到授權費用,而 NVIDIA 企圖併購 ARM 的舉動,更進一步危及中立性。近期外傳英特爾想以 20 億美元代價併購 SiFive、並確定將在 2022 年發表7奈米製程、SiFive 高效能核心 Performance P550 的 Horse Creek 處理器,更讓 RISC-V 得到越來越多關注的目光。

RISC-V 早已得到科技大廠的青睞。NVIDIA 從 2016 年,就在 GPU 內導入 RISC-V 指令集的 Falcon(Fast Login Controller)微控制器,翻新使用超過十年的舊架構。

NVIDIA 內部的 RC18 推論處理器研究案,也是整合 RISC-V 指令集相容處理器為 I/O 元件核心,實現每秒 128 兆次的推論執行,且功耗只有 13.5 瓦。

此外,Western Digital 與 Seagate 這兩間硬碟機雙雄,也選擇自研 RISC-V 處理器,作為新一代硬碟機/固態硬碟機的控制晶片,一年出貨單位都以「10 億」起跳。David Patterson 本人 2016 年加入 Google,也讓人不禁遐想,這間一向鴨子划水的雲端巨頭,是不是又要搞出啥驚天動地的大事。

即使 RISC-V 的發展看似前途似錦,但一般人可能還是對歷史演進一頭霧水,所以筆者就整理歷屆 HotChips(及柏克萊大學內部教材)這個在處理器業界極具影響力的活動,並附上簡報網址,方便各位瞧瞧 RISC-V 是怎麼一步一步走過來的,又是如何展現應用多樣性。

2013 HotChips 25

RISC-V 首度在 HotChips 亮相,並展示基於 IBM 45 奈米 SOI 晶圓製程的 RISC-V 處理器與「Rocket」實作微架構。值得一提的是,除了大名鼎鼎的 David Patterson,成立於 2015 年的 SiFive,三名創辦人 Krste Asanović、Yunsup Lee、Andrew Waterman 均赫然在列。

(Source:The RISC-V Instruction Set

2014 HotChips 26

這年 RISC-V 並未出現在活動議程,但他們還是留下這張照片。

(Source:Hotchips

這屆 HotChips 讓筆者最有印象的,莫過於 AMD 的議程是有點搞笑的 ARM 版本 Opteron「Seattle」。

剛好在 HotChips 活動前,柏克萊大學出現這份教材,解釋「為何指令集應該免費開放」,並且明示 RISC-V 相較其他開源 RISC 指令集的優勢,包含預留定址模式、壓縮指令編碼版本和 128 位元定址等等。

(Source:Berkeley EECS

2015 HotChips 27

RISC-V 基金會 2015 年正式成立。

柏克萊大學實驗性的 28 奈米製程 RISC-V 向量處理器,不過重點還是擺在 RISC-V 相對 ARM 的優越性。

(Source:Hotchips

開源的 Rocket 純量核心。NVIDIA 第一代 RISC-V Falcon 就是以其為基礎。

(Source:RISC-V

2015 年底公布 16 位元指令編碼長度的壓縮版 RISC-V 規範,類似 ARM 的 Thumb 與 MIPS 的 MIPS16。

(Source:RISC-V

2017 HotChips 29

剛成立不久的 SiFive 發表業界第一顆開源的 RISC-V 晶片:Freedom E310 微控制器,台積電 180 奈米製程,面積 6 平方公釐。

(Source:Hotchips

不限 RISC-V 的發跡地柏克萊大學,開始也有其他學校共襄盛舉。

(Source:Hotchips

某間軟硬體開發顧問公司用 FPGA 變出 1,680 個 RISC-V 核心的參考設計框架。

(Source:Hotchips

2019 HotChips 31

SiFive 共同創辦人講解 RISC-V 的歷史與全貌,並提及以 2010 年夏天「三個月即可實現的處理器專案」為起點,希望設計出更乾淨指令集架構的往事。

(Source:Hotchips

介紹 RISC-V 的生態系統,姑且不論裡面究竟有多少「水分」。

(Source:Hotchips

2020 HotChips 32

阿里巴巴也加入戰局,研發針對人工智慧物聯網(AIoT)的 RISC-V 晶片。

(Source:HotChips

瑞士聯邦政府 1854 年成立的研究機構,透過 Chiplet 多晶片包水餃,做出名為 Manticore 的 4,096 核心怪物,目標在高效能浮點運算能比肩 Fujitsu A64FX 與 NVIDIA A100。

(Source:HotChips

柏克萊大學研究的整合式系統單晶片設計模擬與實作環境。

(Source:HotChips

不限於 CPU,美國理工大學排名前三名的喬治亞理工學院,也將 RISC-V 延伸到 GPGPU 應用。

(Source:HotChips

2021 HotChips 33

以下是預定今年 8 月的 HotChips 33 議程,也許過一陣子會變得更多也說不定。

這也是學術研究案,目標在提升RISC-V處理器的安全性。

  • Morpheus II: A RISC-V Security Extension for Protecting Vulnerable Software and Hardware(Todd Austin, University of Michigan)

RISC-V 也開始「滲透」到開放式架構的 5G 基地台。

  • Architecting an Open RISC-V 5G and AI SoC for Next Generation 5G Open Radio Access Network(Sriram Rajagopal, EdgeQ)

出現「Tensor」(張量)這關鍵字,對 NVIDIA GPU 不陌生的讀者一定馬上想起這是什麼。

  • Accelerating ML Recommendation with over a Thousand RISC-V/Tensor Processors on Esperanto’s ET-SoC-1 Chip(David Ditzel, Esperanto Technologies)

基於「CORDIC」(座標旋轉)的三角函數硬體加速器。

  • A CORDIC-based Trigonometric Hardware Accelerator with Custom Instruction in 32-bit RISC-V System-on-Chip(Khai-Duy Nguyen; University of Electro-Communications)

這樣一路看下來,相信各位大概知道一件事:對 RISC-V 最有興趣的對象,無非「不想付錢給 ARM,自己有本錢開晶片的大廠」、「想省掉 ARM 授權金,因此找免費方案的新創公司」、以及「連錢都沒得付的學術機構」。

但即使 RISC-V 的發展勢頭,乍看之下「枝繁葉茂」差可比擬,但回到「RISC-V 能否徹底取代 ARM 甚至 x86」這個大哉問,筆者對此保持比較悲觀的看法。天底下沒有免費的午餐,當廠商充分享受針對特定應用而客製化指令集時,勢必造成版本與軟體分裂化,這也幾乎註定 RISC-V 很容易變成「每個人自己玩自己的」,這對一套指令集的長期發展,絕對不是好事,要不然 Linus Torvalds 也不會為了 AVX-512 暴走。

更何況也是最重要的,一套成功的指令集架構,如同「成功的男人背後都有一個偉大的女人」、「傲嬌的公主身邊都有一位萬用的男人」,都有起碼一個地位舉足輕重的作業系統支撐存在價值,像 x86 有 Windows,ARM 有 Android,那 RISC-V 呢?目前看不出來,但 Google 的態度可能是最重要的關鍵。

看在 David Patteron 已在 Google 工作的份上,是不是足以取代現有英特爾、AMD、IBM 的高效能 RISC-V 泛用處理器,是不是已經在 Google 資料中心某排機櫃內默默服役了?Google 是否也看壞 ARM 的未來,為此主動「加碼」RISC-V?這一切還很有得瞧。

(首圖來源:shutterstock)

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