RISC-V邁入HPC市場，性能與生態(tài)缺一不可

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）近年來，RISC-V已經(jīng)成了業(yè)界不可忽視的成功ISA之一，出貨核心數(shù)超過百億顆，但這百億核心中大部分用在了低功耗IoT等應(yīng)用上。隨著高性能計(jì)算已經(jīng)進(jìn)入Exascale時(shí)代，后發(fā)的RISC-V是否有機(jī)會在HPC市場占據(jù)一席之地，是不少廠商和開發(fā)者都在琢磨的問題。

其實(shí)從去年開始，RISC-V就已經(jīng)在往這個(gè)方向發(fā)力了，各種高性能RISC-V處理器的橫空出世，終結(jié)了RISC-V只能做中低端的論點(diǎn)。RISC-V國際基金會也在去年將HPC標(biāo)記為RISC-V發(fā)展的戰(zhàn)略優(yōu)先領(lǐng)域之一。倪光南院士在上周舉辦的玄鐵RISC-V生態(tài)大會上，也強(qiáng)調(diào)了發(fā)展基于RISC-V架構(gòu)的DSA新型服務(wù)器是中國的一大機(jī)遇。既然如此，市面上已有的高性能RISC-V處理器究竟表現(xiàn)如何，又是否已經(jīng)建立起相關(guān)的生態(tài)呢？

SiFive

作為RISC-V IP生態(tài)的中堅(jiān)力量之一，SiFive已經(jīng)推出了一系列RISC-V IP產(chǎn)品，包括主打高性能的Performance系列、主打AI算力的Intelligence、面向汽車市場的Automotive系列和面向低功耗IoT應(yīng)用的Essential。

P670作為SiFive Performance系列的主打產(chǎn)品，采用了四發(fā)射13級流水線的設(shè)計(jì)，相較上一代P550，有了50%以上的性能提升。即便是相比Arm的Cortex-A78，依然有著明顯的PPA優(yōu)勢。P670的SpecINT2K6/GHz跑分在12以上，已經(jīng)可以滿足部分商用服務(wù)器的性能要求。

以算能的SG2380為例，這是一款2.5GHz 16核 RISC-V處理器，也是計(jì)劃于今年出貨的高性能大模型加速器。算能宣稱這是RISC-V在LLM應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)上的全新嘗試，旨在為移動(dòng)終端提供最強(qiáng)的大模型性能，支持Llama、StableDiffusion等語言、視覺類大模型支持。SG2380采用了RISC-V CPU+TPU的設(shè)計(jì)，而CPU部分正是基于SiFive P670打造，TPU則是基于SiFive的X280打造。

為了追求更高的性能，為數(shù)據(jù)中心提供更高的通用算力支持，SiFive于去年發(fā)布Performance的下一代旗艦產(chǎn)品P870。P870采用了6-wide、4發(fā)射、最多配置16核的設(shè)計(jì)，SpecINT2K6/GHz跑分高達(dá)18以上。SiFive表示P870非常適合用于消費(fèi)級應(yīng)用，或是搭配Vector處理器用于數(shù)據(jù)中心。

為支持下一代高性能應(yīng)用，SiFive也已經(jīng)圍繞其RISC-V打造了一系列解決方案，比如Hypervision拓展和系統(tǒng)級的虛擬化IP，WorldGuard系統(tǒng)安全保護(hù)等，都能進(jìn)一步加快RISC-V在HPC和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用上的部署。

除此之外，SiFive也已經(jīng)在規(guī)劃下一代高性能核心，Napa。不過SiFive目前尚未透露更多關(guān)于Napa的情報(bào)，可以預(yù)想Napa會支持更多的核心數(shù)量，采用更先進(jìn)的工藝，并提供更高的性能。

平頭哥

平頭哥的C910在2020年面世之際可謂是當(dāng)時(shí)為數(shù)不多的RISC-V處理器中，性能最靠前的產(chǎn)品。這個(gè)在當(dāng)時(shí)就采用了12級流水線設(shè)計(jì)的處理器，在臺積電12nm的工藝支持下，跑分達(dá)到了6 DIMPS/MHz和7 Coremark/MHz，已經(jīng)可以超越Arm Cortex-A73，更是超越了當(dāng)時(shí)市面上其他亂序RISC-V處理器。

今年，法國云服務(wù)廠商Scaleway推出了基于平頭哥曳影1520 SoC打造的云服務(wù)器實(shí)例，這也是首個(gè)登錄公開商用云服務(wù)平臺的RISC-V產(chǎn)品，而曳影1520 SoC的CPU部分正是基于四核玄鐵C910的設(shè)計(jì)。除了云實(shí)例之外，全球首款RISC-V筆記本電腦ROMA，也是基于曳影1520 SoC打造，足以說明C910在通用計(jì)算性能上的優(yōu)秀。

去年11月，平頭哥進(jìn)一步發(fā)布了C920這個(gè)加強(qiáng)AI計(jì)算的9系列玄鐵處理器，維持了12級流水線的設(shè)計(jì)，但增加了可選配的亂序Vector運(yùn)算單元，支持最新的Vector 1.0擴(kuò)展。得益于新的運(yùn)算單元，C920主要應(yīng)用于有高并發(fā)算力需求的人工智能、自動(dòng)駕駛和網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。

算能科技也基于玄鐵C920打造了SG2042，作為全球首個(gè)商用量產(chǎn)的64核RISC-V CPU，SG2042還支持雙路CPU互聯(lián)，典型功耗卻只有120W。且在PLCT的支持下，SG2042目前已經(jīng)適配了Ubuntu、Arch Linux、openEuler、Deepin等多款操作系統(tǒng)，F(xiàn)irefox 和 LibreOffice 等常用辦公軟件也能成功運(yùn)行。

今年的玄鐵RISC-V生態(tài)大會上，達(dá)摩院院長張建鋒透露C930也將在年內(nèi)發(fā)布，玄鐵C930兼容RVA24 Profile，SpecINT2006最高跑分可達(dá)15/GHz，令人期待未來會有哪些產(chǎn)品基于玄鐵C930打造，以及阿里云是否會開始基于RISC-V硬件提供云實(shí)例。

Tenstorrent

Tenstorrent作為業(yè)界炙手可熱的初創(chuàng)企業(yè)之一，已然成為絕大多數(shù)RISC-V會議的?？土?，基于同一設(shè)計(jì)，Tenstorrent于短短一年的時(shí)間內(nèi)，發(fā)布了五款RISC-V亂序處理器IP，其中Alastor和Ascalon是他們的高性能RISC-V處理器產(chǎn)品，前者針對客戶和邊緣端市場，后者針對服務(wù)器、筆記本和HPC市場。

Tenstorrent的RISC-V處理器IP的高性能設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在指令集解碼器的寬度。要知道目前的主流x86處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)，一般不會超過six-wide，比如AMD的Zen 4為4-wide，而英特爾的Golden Cove為6-wide，上面提到的P870也只是6-wide。

而Alastor采用了6-wide指令集解碼器寬度的設(shè)計(jì)，Ascalon更是做到了6-wide指令集解碼器寬度。這自然也離不開Tenstorrent的“蘋果背景”，畢竟無論是現(xiàn)任CEO，被譽(yù)為硅仙人的Jim Keller，還是Tenstorrent的首席CPU架構(gòu)師Wei-Han Lien，都是蘋果寬CPU微架構(gòu)背后的功臣，蘋果M1、A14等芯片的CPU均采用了8-wide的設(shè)計(jì)。

Ascalon集成了六個(gè)ALU、兩個(gè)FPU和兩個(gè)Vector單元，規(guī)格相當(dāng)高，所以主要用于高端服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、科學(xué)計(jì)算、大規(guī)模虛擬化以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析之類的商業(yè)高性能計(jì)算應(yīng)用。從去年Tenstorrent給出的SpecINT2017/GHz成績來看（Alastor 1.9，Ascalon 2.2），Ascalon 跑分甚至超過了市面上所有主流服務(wù)器CPU核心，僅次于預(yù)測的AMD Zen 5跑分。

除了高性能計(jì)算通用核心外，Tensorrent打造了專用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理和訓(xùn)練的專用核心，Tensix。Tensix支持主流數(shù)據(jù)精度，比如BF4、BF8、INT8、FP16甚至是FP64。相較只提供IP和Chiplet解決方案的RISC-V IP，Tensorrent將提供為Tensix提供IP、Chiplet、芯片、板卡、系統(tǒng)到云的一整套方案。不過將于今年推出的Grendel，將采用CPU+ML Chiplet的設(shè)計(jì)方案，屆時(shí)應(yīng)該會打通Tensorrent現(xiàn)有的RISC-V CPU和AI IP方案。

除了已經(jīng)開放購買的一些開發(fā)板、擴(kuò)展卡產(chǎn)品外，Jim Keller也在不遺余力地為Tenstorrent尋找生態(tài)鏈伙伴，無論是三星、臺積電這樣的晶圓代工廠，還是Silicon Box 這樣的Chiplet制造廠商等，都與其達(dá)成了合作。

寫在最后

如果單從絕對性能上看，目前RISC-V處理器和主流x86產(chǎn)品還是存在一些差距，但其實(shí)隨著HPC和AI需求暴漲，在相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)上，大家已經(jīng)意識到一味地追求計(jì)算性能本身帶來的收益越來越少，反而是對架構(gòu)、指令集等進(jìn)行優(yōu)化帶來的收益越來越高。而RISC-V架構(gòu)的靈活可定制性，恰恰給到了彎道超車的機(jī)會。

不過高性能處理器依然是一個(gè)必備的敲門磚，因此RISC-V在HPC領(lǐng)域還有很長的一段路要走。除此之外，如何與現(xiàn)有的HPC供應(yīng)鏈和開發(fā)生態(tài)達(dá)成協(xié)作，是RISC-V必須考慮的一件事，比如如何與服務(wù)器OEM合作，按照OCP項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)打造通用的服務(wù)器解決方案；又或是如何把盡快將眾多關(guān)鍵HPC庫和工具移植到RISC-V的硬件平臺之上。