深入探索RISC-V處理器架構(gòu)背景 思爾芯助力“香山”不斷演進

引言

近年來，基于RISC-V架構(gòu)的處理器逐漸嶄露頭角，引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。其中，由國人主導(dǎo)的“香山”RISC-V處理器備受關(guān)注。無論是一代、二代，還是即將到來的三代，開芯院都采用了思爾芯芯神瞳原型驗證解決方案，加速其技術(shù)的演進與應(yīng)用落地。接下來，本文將深入探索RISC-V架構(gòu)背景、“香山”及思爾芯與“開芯院”在此項目中的協(xié)同創(chuàng)新經(jīng)驗。

100億顆RISC-V處理器一半來自中企

根據(jù)RISC-V基金會的數(shù)據(jù)，截至2022年底，全球RISC-V處理器的出貨量已達到100億顆，其中近一半來自中國。這顯著的成績背后，得益于中國的科研機構(gòu)和開發(fā)者在RISC-V技術(shù)、應(yīng)用以及系統(tǒng)整合領(lǐng)域的不懈努力。他們的努力不僅贏得了國際基金會的認(rèn)可，更受到了全球開發(fā)者的關(guān)注和尊重。

值得特別提及的是“香山”團隊，他們基于RISC-V的芯片設(shè)計和創(chuàng)新在業(yè)界有著獨特的地位。“香山”RISC-V，作為一個由中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所孕育出的開源RISC-V處理器項目，意義重大。中國選擇自主研發(fā)RISC-V處理器的動因多種多樣：

技術(shù)主權(quán)：在國際技術(shù)舞臺上，核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)的掌握至關(guān)重要。特別是在半導(dǎo)體和處理器領(lǐng)域，擁有關(guān)鍵技術(shù)意味著能夠避免外部的技術(shù)封鎖和貿(mào)易摩擦帶來的風(fēng)險。

開源與透明：RISC-V作為一個開源的指令集，允許自由修改和定制。這種架構(gòu)的透明性為構(gòu)建強大的開發(fā)者社區(qū)提供了基礎(chǔ)，同時也賦予了研發(fā)者更高的自由度。

創(chuàng)新空間：RISC-V的模塊化和可擴展特性為硬件和軟件的創(chuàng)新開辟了新的道路。這使得企業(yè)和研究機構(gòu)能夠根據(jù)具體需求，進行處理器的精細(xì)定制。

經(jīng)濟價值：國內(nèi)技術(shù)的持續(xù)進步助推了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的繁榮，為國民創(chuàng)造了更多的工作機會，同時提高了技術(shù)的附加值，降低了對外國技術(shù)的依賴度。

安全保障：在關(guān)鍵信息技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施中部署國產(chǎn)技術(shù)能夠增強對其的信賴，確保敏感數(shù)據(jù)的安全性。

5月26日，在2023年中關(guān)村論壇“RISC-V開源處理器芯片生態(tài)發(fā)展論壇”上，第二代“香山”（南湖架構(gòu)）開源高性能RISC-V處理器核作為中國科學(xué)院“先導(dǎo)”項目成果發(fā)布。

思爾芯助力“香山”不斷演進

“香山”一直在不斷地演進和發(fā)展。在2021年，它的第一代產(chǎn)品——雁棲湖架構(gòu)，基于RV64GC指令集架構(gòu)正式亮相。這個設(shè)計，在處理器架構(gòu)的基礎(chǔ)上對性能進行了優(yōu)化，使速度和效率達到了很好的平衡。

緊接著，2022年，第二代“香山”——南湖架構(gòu)也隆重登場，于2022年6月份正式啟動工程優(yōu)化，于2022年9月研制完畢，已于2023年6月流片。這一代產(chǎn)品采用了14nm制程技術(shù)，核心頻率達到了2 GHz，并且具備了10/GHz的SPECCPU評分。其綜合性能超越了ARM的Cortex-A76。

“香山”不僅僅是性能強大，它在應(yīng)用領(lǐng)域的適用范圍也非常廣泛。無論是工業(yè)控制、汽車、通信、數(shù)據(jù)中心還是計算設(shè)備，它都能夠勝任。其通過PCIe、USB、HDMI等接口與各種設(shè)備無縫連接，這使得它受到了廣大市場的關(guān)注和歡迎。

從“香山”的第一代到第三代，背后的技術(shù)支撐與演進都離不開上海一家EDA公司的身影——思爾芯（S2C）。這家在EDA領(lǐng)域擁有深厚積累的公司，近期剛榮獲了國家級“專精特新”小巨人企業(yè)獎和“中國芯”優(yōu)秀支撐服務(wù)產(chǎn)品獎。作為國內(nèi)首家數(shù)字EDA供應(yīng)商，思爾芯自2004年在上海設(shè)立總部以來，一直專注于集成電路EDA領(lǐng)域。更值得一提的是，2023年初，它的原型驗證產(chǎn)品被工信部列為“2022年工業(yè)軟件優(yōu)秀產(chǎn)品”。正是這款被工信部認(rèn)證的優(yōu)秀工業(yè)軟件在“香山”項目上發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

“香山”+思爾芯：強強聯(lián)手，協(xié)同創(chuàng)新

在集成電路和微處理器設(shè)計中，原型驗證是不可或缺的一環(huán)。它涉及到在真實硬件上驗證設(shè)計的功能、性能和可靠性。為了應(yīng)對“香山”項目中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，思爾芯為“香山”提供了一個針對性的原型驗證解決方案：芯神瞳VU19P原型驗證系統(tǒng)。其靈活與可擴展的架構(gòu)體系，可滿足不同設(shè)計容量、應(yīng)用程序和設(shè)計階段的需求，使“香山”能夠更加高效地完成SPEC跑分驗證、IO驗證以及BSP驅(qū)動的開發(fā)等工作，涵蓋了從硬件設(shè)計到軟件集成的整個生命周期的不同方面。

01

SPEC跑分驗證

SPEC是一個非盈利組織，旨在為新的計算系統(tǒng)提供一組業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)測試。這些基準(zhǔn)測試（通常稱為“跑分”）用于測量和評估系統(tǒng)的性能。在硬件設(shè)計中，一旦有了原型或早期版本的設(shè)計，就可以使用SPEC基準(zhǔn)測試進行跑分，從而驗證預(yù)期的性能是否得到實現(xiàn)。基于思爾芯的芯神瞳，“香山”團隊運行了SPEC基準(zhǔn)測試，通過結(jié)合顯卡運行Linux和圖形界面，以直觀地評估其性能。這為團隊提供了寶貴的反饋，可以據(jù)此進行優(yōu)化以達到或超過預(yù)期的性能標(biāo)準(zhǔn)。目前，第二代“香山”（南湖架構(gòu)）的SPEC2006得分為20分，超越了2018年的ARM Cortex-A76。

02

IO驗證

IO（輸入/輸出）驗證是確保芯片與外部環(huán)境（如其他芯片、系統(tǒng)等）之間的通信是正確的和高效的過程。思爾芯的芯神瞳便為“香山”提供了一個實際的環(huán)境，用于測試和驗證所有輸入/輸出通信通道。這確保了“香山”與其他硬件組件，如內(nèi)存、存儲和其他接口的完美集成和通信。在驗證系統(tǒng)的搭建中，“香山”團隊使用了思爾芯的PPM、GMAC、PCIe等子卡和接口，系統(tǒng)整體運行速率為50MHz。而各接口則按照它們各自的標(biāo)準(zhǔn)頻率與“香山”系統(tǒng)進行了對接。

03

BSP驅(qū)動開發(fā)

BSP（Board Support Package）驅(qū)動開發(fā)是確保軟硬件順暢交互的關(guān)鍵橋梁。利用原型驗證技術(shù)，開發(fā)者可以直接在真實硬件上進行BSP的開發(fā)和測試，保證軟硬件的緊密協(xié)同，從而提高開發(fā)效率和準(zhǔn)確性。隨著“香山”處理器的硬件設(shè)計在思爾芯原型驗證系統(tǒng)上穩(wěn)定實現(xiàn)，其軟件團隊立即展開BSP驅(qū)動的研發(fā)。這不僅讓軟硬件團隊實現(xiàn)并行開發(fā)，而且確保軟件在真實硬件環(huán)境中得以優(yōu)化。這種早期介入策略讓軟件團隊更深入地了解硬件特性和限制，為“香山”在最終流片前確保硬件設(shè)計并加速軟件開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

“香山”高贊思爾芯，共推RISC-V生態(tài)繁榮

“香山”無疑是國際領(lǐng)先的高性能RISC-V處理器核。為保持這一地位，選擇合適的合作伙伴對至關(guān)重要。開芯院表示：“思爾芯的原型驗證系統(tǒng)不僅為我們提供了一個在真實硬件環(huán)境進行測試和驗證的平臺，還助力項目從性能評估到軟硬件集成的每一個關(guān)鍵步驟。這無疑為我們‘香山’項目的成功奠定了堅實的基礎(chǔ)。之所以選擇思爾芯，是因為他們的技術(shù)穩(wěn)定持久，服務(wù)響應(yīng)速度快，產(chǎn)品經(jīng)過長時間驗證，穩(wěn)定且成熟。這為我們的項目注入了巨大的推動力?！?/p>

RISC-V技術(shù)正憑借其開放性、高效性和卓越的可擴展性，重新定義計算的未來。它不僅提供了自主供應(yīng)鏈的機會，還加速了技術(shù)的迭代。而這種開放協(xié)作模式也帶來了無盡的機遇和挑戰(zhàn)。

在今年的第三屆RISC-V中國峰會上，中國工程院院士倪光南在峰會致辭中表示，中國愿意擁抱開源，和世界協(xié)同創(chuàng)新，鼎力打造強大繁榮的RISC-V生態(tài)，有力支撐RISC-V躋身于世界主流CPU行列。

與此同時，思爾芯副總裁陳英仁也分享了他的觀點，他提到：“思爾芯為RISC-V提供了涵蓋微架構(gòu)分析、系統(tǒng)整合、規(guī)范符合性測試以及軟件性能評估的一系列優(yōu)化解決方案。我們希望這些努力能助力整個生態(tài)系統(tǒng)更好地整合資源，進一步擴展RISC-V的社區(qū)，并共同推動這一新生態(tài)的快速發(fā)展?！?/p>

審核編輯：劉清