RISC-V走向高性能計算，開源生態(tài)建設突飛猛進

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃晶晶）最近，“2023 RISC-V中國峰會”在北京舉辦。從最初RISC-V在物聯(lián)網(wǎng)領域興起，到如今越來越多的RISC-V高性能芯片走向數(shù)據(jù)中心、服務器、汽車電子等，RISC-V更加呼喚強大的生態(tài)建設，以期補強生態(tài)，更快地讓RISC-V芯片在中高端領域落地。會議期間，電子發(fā)燒友網(wǎng)等媒體也在第一時間采訪了RISC-V國際基金會CEO Calista Redmond，本次峰會主席、中國科學院軟件研究所副所長武延軍，北京開源芯片研究院首席科學家包云崗等專家們。作為RISC-V領域的積極引領者，他們對現(xiàn)階段RISC-V的發(fā)展發(fā)表了諸多觀點。

中國企業(yè)積極參與生態(tài)共建

生態(tài)共建的意義在于調動協(xié)調參與各方共同繁榮生態(tài)并從中獲益。Calista Redmond說，RISC-V非?？粗厣鷳B(tài)的建立，談到生態(tài)它既是技術問題，軟硬件互相匹配，也是市場營銷、商務的問題。因此應該讓不同的技術團隊應對不同行業(yè)的需求，比如汽車制造業(yè)、數(shù)據(jù)中心等等。同時生態(tài)建設也會強化全球合作，RISC-V國際基金會積極與其他基金會和其他組織合作，利用雙方的整合資源的能力，把上游和下游、各種資源庫進行非常好的連接。在中國，通過和不同的協(xié)會、學術界、行業(yè)進行合作，生態(tài)能夠變得越來越成熟。

本次峰會主席、中國科學院軟件研究所副所長武延軍表示，中國企業(yè)在RISC-V國際生態(tài)領域里發(fā)揮越來越大的作用。在RISC-V國際基金會高級會員中，中國企業(yè)占據(jù)50%，包括華為、阿里巴巴、紫光展銳、中國科學院計算所和軟件所等。三四年前，我們在SIG（Special Interest Group）、TG（Task Group）、HC（Horizon Committee）這些RISC-V基金會的組織里聲音較少。但近兩年，以阿里平頭哥為例，很多中國機構開始積極參與技術組織的主席和副主席工作，推動RISC-V國際標準的制定和技術發(fā)展，讓更多中國企業(yè)認識到參與國際社區(qū)的重要性。

中國科學院軟件研究所的目標是把基礎軟件做成RISC-V生態(tài)里的數(shù)字公共品。武延軍說，我們很早在RISC-V社區(qū)里組建了PLCT實驗室，專門給RISC-V生態(tài)做貢獻，過去幾年也得到了國際社區(qū)很大的認可?，F(xiàn)在中國科學院啟動了“RISC-V基礎軟件”先導專項，也在支持我們聯(lián)合國內企業(yè)繼續(xù)打造RISC-V基礎軟件生態(tài)。

自2011年RISC-V指令集正式發(fā)布已經(jīng)過去十多年，武延軍談到早期RISC-V處理器主要集中在微控制器（MCU）方面，而對于MCU以及嵌入式領域來說生態(tài)相對較小。但隨著處理器能力的不斷升級，RISC-V芯片已邁進筆記本電腦、服務器等領域，越來越多的應用可以跑在RISC-V設備上，隨之而來的生態(tài)問題也更加突顯。目前階段，RISC-V相較于X86、ARM生態(tài)無論從軟件規(guī)模還是性能優(yōu)化程度上，還沒有達到很好的狀態(tài)。不過RISC-V向高性能進發(fā)會隨著生態(tài)的逐漸完善勢不可擋。


完善工具鏈，軟件生態(tài)進展顯著

早在2020年，RISC-V第一發(fā)明人Krste Asanovic教授預言到軟件是驅動RISC-V發(fā)展的關鍵。此后大家所熟悉的Fedora、Debian、國內的openEuler社區(qū)都開始關注RISC-V，開始提供相應的支持。

而軟件生態(tài)的首要工作就是工具鏈的完善，因為芯片必須要有編譯工具鏈才能把它的指令集特性發(fā)揮出來。武延軍表示，工具鏈一般傳統(tǒng)上有兩種方式，一種是廠家自己來開發(fā)，提供的都是私有工具鏈，每次推出一款開發(fā)平臺相應就有一套工具鏈進行匹配。另一種是大家共同打造一個公共的工具鏈，約90%為公共打造，10%是私有部分。RISC-V更為合適后種方式。

從2019年開始，中國科學院軟件研究所開展RISC-V“原生操作系統(tǒng)”開發(fā)，即“傲來”操作系統(tǒng)。相應的內核（Linux Kernel）以及編譯工具鏈上做了很多的工作。當時在GCC、LLVM（開源的架構編譯器框架）上大量做指令集相關后端的實現(xiàn)。同時跟隨RISC-V基金會標準的批準進程提供相應的代碼參考實現(xiàn)，讓大家在討論標準時有相應依據(jù)，甚至可能給標準制定者反饋問題，讓標準變得更加合理。

近兩年，中國科學院軟件所從兩個方面開始投入RISC-V生態(tài)建設。一個是RuyiSDK（“如意”軟件開發(fā)工具集）項目，希望給軟件開發(fā)者能提供“一站式”、“全家桶”的開發(fā)工具集。統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，在工具鏈上做好適配和整合，開發(fā)者不需要自己解決上下游軟件包的依賴問題，不需要關心軟件包的構建順序，以及相應工具包的完整性。

第二是啟動“PolyOS”（聚元操作系統(tǒng)）項目。PolyOS不是傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)，當有RISC-V SoC出來后，PolyOS能夠很快地和SoC或開發(fā)板進行對接。90%以上的操作系統(tǒng)公共部分已經(jīng)做好，剩下只有不到10%私有的工具鏈或補丁也可以納入到PolyOS，這樣可以讓開發(fā)板或SoC廠商在短時間內適配好基礎軟件，縮短整個交付周期。也就是給開發(fā)者和廠商提供開箱即用的操作系統(tǒng)構建工具，這樣能夠極大地促進軟件生態(tài)的快速發(fā)展。

武延軍說，現(xiàn)在工具鏈參與方越來越多，功能越來越完善，因為指令集本身在不斷發(fā)展，在過去一年多時間，RVI又批準了一些新的標準擴展指令集，還在繼續(xù)推更多的指令集標準規(guī)范，那么工具鏈也會隨著這樣的進程不斷地往前發(fā)展。

9月份，openEuler RISC-V版本將推出，這也是第一次openEuler把RISC-V當作官方支持的指令集，以前只有X86和ARM。另外，此前國際知名開源社區(qū)Debian首次把RISC-V作為Tier-1級的指令集標準規(guī)范來支持。還有Google的Android開源版本AOSP也把RISC-V作為官方支持的指令集架構。在過去一年多時間里，很多知名開源社區(qū)、開源操作系統(tǒng)發(fā)行版都在支持RISC-V。這個軟件生態(tài)建設的進程會越來越快。


RISC-V助力AI算力 硬件開源架構性能更強

AI算力需求的增加離不開通用計算的支持，比如自動駕駛芯片除了AI加速芯片之外還搭建了很多通用高性能CPU。還有大模型運算，也同樣需要大量數(shù)據(jù)的遷移，因為數(shù)據(jù)量遠遠大于單個算力卡的存儲容量所能存放的空間。這時候就需要有一部分在CPU里運行，同時還有大量數(shù)據(jù)進行遷移，從內存里把它加載到算力卡里，算完以后再遷移出來。這兩種場景中，RISC-V都能夠在其中發(fā)揮很大的作用。

包云崗說到，如果用RISC-V處理器再加上AI加速器，把它集成到一顆芯片里，我們就沒有必要像今天這樣通過PCIe總線把數(shù)據(jù)做長距離的遷移，同時帶寬還受到影響。在一個芯片里帶寬會有數(shù)量級的提升，這些方式可以帶給我們很多創(chuàng)新。

中科院已經(jīng)推出兩代香山處理器架構，包云崗介紹，基于“南湖”架構的第二代“香山”處理器在過去一年多時間里做了很多產品化改造。產品化改造就是要讓它從一個學術界的科研項目能夠走到讓企業(yè)用起來，中科院做前沿架構的探索，產品化改造工作由在北京開源芯片研究院聯(lián)合一批企業(yè)進行。

據(jù)透露，已經(jīng)有一批企業(yè)基于“南湖”架構進行芯片研發(fā)。其中一家企業(yè)今年9月份芯片即將流片回來，還有一家企業(yè)會在下半年流片。未來還可以看到基于“南湖”的GPU芯片、高性能服務器芯片或者面向邊緣計算的SoC。

而“香山”最新一代“昆明湖”架構，根據(jù)最新的評估數(shù)據(jù)，SPECint2006 接近14分/GHz，而2021年ARM發(fā)布的服務器級高性能IP N2的IP分數(shù)大約15分。不過，在面積、功耗等方面還需要優(yōu)化升級。

包云崗表示，我們希望“香山”能夠像開源的Linux一樣，Linux已經(jīng)“活”了30年，今天成了操作系統(tǒng)領域里特別是服務器領域里首選。在RISC-V開放標準下，“香山”能和其他不同級別的處理器一起構建開源芯片生態(tài)，幫助企業(yè)更好地做產品，提高產品競爭力。

小結

從硬件到系統(tǒng)軟件再到應用的整個生態(tài)都需要不斷地完善。包云崗表示，硬件生態(tài)上不僅是RISC-V核的升級，還有外圍互聯(lián)技術的提升，對于RISC-V拓展到數(shù)據(jù)中心市場等都非常重要。軟件生態(tài)則更加復雜，無論是系統(tǒng)軟件還是應用軟件都面臨著移植等問題。而在應用層軟件上，原先安卓、Windows龐大的軟件數(shù)量，RISC-V如何去適配遷移。

當然，包云崗認為最好的發(fā)展方式是尋找增量市場的生態(tài)。在X86者是ARM還沒有形成主流的應用場景當中，RISC-V憑借其開放開源的特性迅速發(fā)展起來。而這樣的增量市場就包括智能汽車，有機會從自動駕駛領域切入形成新的生態(tài)，逐步再去影響其他傳統(tǒng)的生態(tài)。