Hot Chips 2023》瞧瞧 SiFive 的 P870 RISC-V 處理器

RISC-V 崛起過程充滿「柏克萊大學」血統的 SiFive 一直是主要參與者，距今十年前的 2013 年，RISC-V 指令集架構首次在第 25 屆 Hot Chips 亮相，列名者除了大名鼎鼎的 David Patterson，SiFive 三名創辦者 Krste Asanović、Yunsup Lee、Andrew Waterman 也在其中，並 2015 年設立公司（RISC-V 基金會也是當年成立）。HotChips 2023（第 35 屆）更詳細介紹 SiFive P870 處理器。

但介紹這顆處理器前，筆者先要談談 RISC-V 的「Profile」是什麼，以及為何它對 RISC-V 的成功如此重要。RISC-V 之所以受歡迎，不外乎開放、免費且開源（雖然過去 Power、SPARC 和 MIPS 也開源過），允許任何人設計製造和銷售 RISC-V 處理器不必支付任何專利費、最多可容納 1,200 個客製化指令等優點，但也引發指令集版本零碎化疑慮，阻礙軟體生態系統的發展。

▲「第五代 RISC 指令集架構」的 RISC-V 遠比 Arm 自由開放，但也造成指令集版本零碎化的疑慮，影響軟體在不同 RISC-V 處理器的相容性。

為了避免這問題，前身為 RISC-V 基金會的 RISC-V 國際協會公布 RISC-V Profile，旨在滿足特定需求，並幫助開發強大生態系統。規範而言，RISC-V Profile 含基本指令集架構（RV32I / RV64I）、一組強制擴展和一組可選擇性的擴展（允許軟體生態系統可測試一些新功能，加入客製化空間，並同時限制其範圍），目標在不限制太多下，維持指令集相容性。像向量運算的 V 擴展 2022 年 RVA22U64 可選，但 RVA23U64 變成強制，並增加新擴展：向量加密擴展、純量半精度運算、向量半精度運算、與機械學習常用的 BF16 浮點格式。

▲ RISC-V Profile 組合格式如上，是要阻止 RISC-V 指令集出現版本零碎化的主要手段。

接著回到主題：SiFive P870 核心，並從 SiFive 推敲 RISC-V 總體。

▲ SiFive 強調「RISC-V 有標準」，也就是前面提到的 RISC-V Profile，如 RVA23。

▲ SiFive 在 2022 年推出有非循序指令執行（OoO，Out-of-Order）功能的 P550 處理器，現在是 P650 / P670 和 P450 / P470，2024 年上市的 P870 和 P870-A（車用）是 SiFive 第三代 OoO 核心。

▲ 有別於「資料中心等級」CPU 多半會每個核心各自獨立配置 L2 快取，SiFive 選擇部分核心共用 L2，有點像蘋果作風。P870 可和資料中心專用 Intelligence X280 AI 加速器結合。

▲ P870 的指令管線，可清楚看到向量運算部分。

▲ P870 整體微架構。

▲ 值得注意的是，P870 分支預測也採近似 AMD Zen 2 的 TAGE（tagged geometric history length）預測器。

▲ 每個時脈週期最多解碼六個指令，並同時擁有 228 個整數實體暫存器、240 個浮點實體暫存器、128 個向量實體暫存器，可同時重新排序 1120 個指令。

▲ 向量執行單元，可「攤平」同時存取多個暫存器指令的向量排序器也是獨特的功能。

▲ 浮點運算執行單元。

▲ 整數運算執行單元。

▲ 記憶體載入/回存單元。

▲ L2 快取和 L3 快取記憶體，最多四核心共享一塊 L2。

▲ 這是 8 個 4 核心叢集的 32 核晶片案例。

▲ 這是消費級產品案例，類似 Arm 大小核配置，總計兩個 P870 高性能核心、四個 P470 高能效核心，以及隨時保持運行狀態的 E6 低功耗（循序指令執行） 核心。

▲ P870-A 是車用版，自然需要更多安全性功能，如故障檢測、可靠性與安全性，暫存器檔案具有奇偶校驗（Parity Check），快取記憶體也有更正單位元錯誤（ECC，Error-Correcting Code） 保護。

▲ 身為「RISC-V 世界的 Arm」，依不同需求 SiFive 也有大量 IP。

▲ P870 之後是代號「Napa」的新核心，不過 SiFive 並未透露任何訊息。

SiFive 數週內將發表 P870，時脈約 3GHz 以內。SPEC CPU 2006 整數運算測試報告，P870 每 GHz 得分為 17 分，前代 P670 是 13.2 分（與 Arm Cortex-A78 相當），即使同時脈，性能提高約 29%。

SiFive 還討論到 RISC-V 未來前景，RISC-V 核心銷售量今年才開始激增，將在 2024 年和 2025 年大幅增長，保守估計 2025 年產品出貨量達「800 億個」RISC-V 核心，而預測是否成真，就拭目以待吧。

（首圖來源：SiFive）

延伸閱讀：

• 從歷屆 HotChips 檢視 RISC-V 的發展