RISC-V 不再滿足于顛覆 CPU 行業(yè)。它正在對(duì)集成到 SoC 或高級(jí)封裝中的每種類型的處理器發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)，這是一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃，將面臨來(lái)自擁有雄厚研發(fā)業(yè)務(wù)和構(gòu)建良好生態(tài)系統(tǒng)的老牌廠商的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

當(dāng) RISC-V International 首席執(zhí)行官 Calista Redmond 在去年的峰會(huì)上表示 RISC-V 將無(wú)處不在時(shí)，大多數(shù)人可能認(rèn)為她在談?wù)?CPU。很明顯，該組織打算在服務(wù)器和深度嵌入式設(shè)備中使用 RISC-V 內(nèi)核。但該組織的目標(biāo)遠(yuǎn)不止于此。Redmond暗示，每個(gè)處理核心、GPU、GPGPU、AI 處理器以及尚未構(gòu)思的所有其他類型的處理器都將基于 RISC-V。加州大學(xué)伯克利分校教授兼 RISC-V 國(guó)際主席 Krste Asanovi? 在他的國(guó)情咨文中展示了下面的幻燈片，這一點(diǎn)變得更加清晰。

如今，隨著最近完成的安全和加密工作，這一愿景開(kāi)始成形。正在組建小組并審查捐款，以增加對(duì)矩陣乘法的支持，矩陣乘法是 GPU 和 AI 處理器的基本功能。

這些大膽聲明的背后是數(shù)據(jù)和計(jì)算架構(gòu)的根本性轉(zhuǎn)變。這不再是哪家公司擁有最快的CPU的問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)論設(shè)計(jì)得多么好，所有的CPU都有局限性。“在一些垂直市場(chǎng)，例如 5/6G、推理和視頻處理，它們的計(jì)算工作負(fù)載不再適合在傳統(tǒng) CPU 上處理，”西門子 EDA 的 Catapult HLS 團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目總監(jiān) Russell Klein表示。“這就是我們看到新計(jì)算方法被采用的地方。”

幾乎每個(gè)應(yīng)用程序都有某種形式的控制結(jié)構(gòu)。“從內(nèi)存訪問(wèn)的角度來(lái)看，圖形是一種非常特殊的野獸，具有非常特殊的要求，”Arteris 解決方案和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁 Frank Schirrmeister說(shuō)道。“如果你看一下最近發(fā)布的一些 AI 和 RISC-V 公告，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有些公司宣布的處理元素顯然包含 ISA。”

在某些情況下，這些只需要正確的說(shuō)明。Bluespec 首席執(zhí)行官 Charlie Hauck 表示：“RISC-V 有一種叫做向量擴(kuò)展的東西。” “根據(jù)您如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，您可以獲得一些看起來(lái)非常像 GPU 的東西，其中有許多并行運(yùn)行的小型單元，或者以 SIMD 類型的方式運(yùn)行。”

然而，這條路并不容易。“通過(guò)指令擴(kuò)展將GPU功能添加到RISC-V架構(gòu)中很有吸引力，因?yàn)镚PU在AI領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，”Stream Computing研發(fā)總監(jiān)Fujie Fan表示。“然而，我們已經(jīng)意識(shí)到架構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)中不可避免的問(wèn)題。”

懷疑論者比比皆是。處理器的歷史上充斥著失敗的初創(chuàng)公司，它們宣稱他們將用新的計(jì)算架構(gòu)粉碎競(jìng)爭(zhēng)。許多人沒(méi)有考慮到競(jìng)爭(zhēng)并沒(méi)有停滯不前，計(jì)算領(lǐng)域正在經(jīng)歷持續(xù)且加速的變化，而轉(zhuǎn)向新方法和工具以及培訓(xùn)/再培訓(xùn)工程師的痛苦和費(fèi)用絕非微不足道。

“RISC-V 為采用者帶來(lái)的價(jià)值在于控制處理領(lǐng)域，它擁有現(xiàn)成的開(kāi)源工具、現(xiàn)成的操作系統(tǒng)（Linux 或?qū)崟r(shí)）以及提供的長(zhǎng)期軟件兼容性/可移植性的承諾通過(guò) ISA 通用性，” Quadric工程副總裁 Dhanendra Jani 說(shuō)道。“圖形處理是一個(gè)非常不同的挑戰(zhàn)——特定領(lǐng)域的處理挑戰(zhàn)。要將基本 RISC-V 指令集調(diào)整為一種非常適合 GPU 任務(wù)的指令集，需要大量投資來(lái)定義自定義 ISA 擴(kuò)展、構(gòu)建高度復(fù)雜的微架構(gòu)更改，并對(duì)開(kāi)源工具進(jìn)行重大手術(shù)，使它們與原來(lái)不同。這樣做時(shí)，使用 RISC-V 的幾乎所有固有價(jià)值都因廣泛的定制而消失了，您將失去大部分優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可能會(huì)受到核心 ISA 功能的束縛，這些功能限制了特定領(lǐng)域 GPU 環(huán)境中的有用性。簡(jiǎn)而言之，從 RISC-V 開(kāi)始而不是從頭開(kāi)始有什么意義呢？”

那么RISC-V的計(jì)劃是什么？“矢量是 SIMD 操作，使您能夠同時(shí)對(duì)多條數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，并讓芯片找出從內(nèi)存中取出數(shù)據(jù)的最佳方式，處理單個(gè)指令，然后將數(shù)據(jù)放回內(nèi)存，或者將它們轉(zhuǎn)移到下一個(gè)操作，”RISC-V International 首席技術(shù)官 Mark Himelstein 說(shuō)道。“缺少的基本內(nèi)容是矩陣乘法。我們收到了多個(gè)提案，其中之一類似于適合 32 位指令的向量擴(kuò)展。這非常困難并且需要設(shè)置說(shuō)明。您設(shè)置了stride和masks等內(nèi)容，然后扣動(dòng)扳機(jī)并執(zhí)行操作。但如果您想與其他架構(gòu)上更大的矩陣實(shí)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，則必須采用更寬的 64 位指令。這是很多人都在談?wù)摰脑掝}。”

問(wèn)題是有多少?gòu)?fù)雜性被暴露，有多少仍然隱藏。“ISA 是一個(gè)關(guān)鍵組件，” Arm客戶端業(yè)務(wù)線產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) Anand Patel 說(shuō)道。“然而，GPU 的復(fù)雜性通常由 Vulkan 或 OpenCL 等標(biāo)準(zhǔn) API 抽象出來(lái)。這使得開(kāi)發(fā)人員可以更輕松地跨多個(gè)供應(yīng)商進(jìn)行定位，同時(shí)將較低級(jí)別的優(yōu)化留給 GPU 供應(yīng)商。即使在 GPGPU 類型的應(yīng)用中，GPU 的架構(gòu)也在快速發(fā)展，以跟上人工智能處理等新興用例的步伐，因此開(kāi)發(fā)人員能夠訪問(wèn)成熟的軟件生態(tài)系統(tǒng)來(lái)跟上這些變化至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn) API 確保開(kāi)發(fā)人員不必?fù)?dān)心 ISA 更改，而是透明地看到這些底層改進(jìn)的好處。”

宏觀架構(gòu)和微架構(gòu)

區(qū)分這兩個(gè)問(wèn)題很重要，因?yàn)?RISC-V 僅定義了宏觀架構(gòu)，而將所有微架構(gòu)決策留給了實(shí)現(xiàn)者。當(dāng)超越 CPU 時(shí)，這將成為一個(gè)更大的問(wèn)題。“馮·諾依曼在某些方面有限制性，但特定實(shí)現(xiàn)如何與內(nèi)存交互并不是由 RISC-V 決定的，”RISC-V 的 Himelstein 說(shuō)。“大多數(shù) GPU 實(shí)現(xiàn)都通過(guò)多級(jí)管道中的內(nèi)存來(lái)優(yōu)化這一點(diǎn)。當(dāng)一些操作正在進(jìn)行時(shí)，一些東西來(lái)自內(nèi)存。當(dāng)您開(kāi)始研究 GPU 時(shí)，您會(huì)談?wù)摫┞秲?nèi)存交互。我們確實(shí)對(duì)事情發(fā)生的順序有一些限制，因?yàn)槟阆氪_保操作被明確定義。”

看待問(wèn)題的方法有很多種。“最先進(jìn)的 GPU 產(chǎn)品可以按照傳統(tǒng)圖形處理和現(xiàn)代人工智能加速來(lái)劃分，”Stream 的 Fan 說(shuō)道。“前者更像是可編程ASIC，而不是通用處理器，其核心能力來(lái)自于流處理器的實(shí)現(xiàn)，而不是ISA。指令集通常對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，并且總是處于次要位置。圖形處理器的設(shè)計(jì)與微架構(gòu)密切相關(guān)，適合用定制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，人工智能和多媒體功能的標(biāo)準(zhǔn)化更具吸引力。要實(shí)現(xiàn)這樣的能力，復(fù)制GPU并不是唯一的方法。對(duì)于RISC-V來(lái)說(shuō)，多媒體功能可以通過(guò)矢量架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，AI能力可以通過(guò)更高效的異構(gòu)架構(gòu)和矩陣加速器來(lái)實(shí)現(xiàn)。”

如果您希望外部程序員為您的設(shè)備編寫軟件，則某些方面會(huì)發(fā)生變化。“數(shù)據(jù)流處理可以通過(guò)多種方式完成，”西門子的Klein說(shuō)。“一種是使用小型通用處理器甚至專用處理器的管道，每個(gè)處理器都處理問(wèn)題的一個(gè)階段。這比單個(gè)大型 CPU 更快、更高效。使用可編程處理器作為計(jì)算元件保留了很大的靈活性，但確實(shí)放棄了一些性能和效率。這種方法確實(shí)可以在任何有能力的多核處理器上構(gòu)建。問(wèn)題是這種方法已被軟件開(kāi)發(fā)社區(qū)徹底拒絕，他們不愿意放棄單線程編程模型。”

這對(duì)于很多企業(yè)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)大問(wèn)題。“如果您正在尋找通用處理器，根據(jù)應(yīng)用要求，它可以是從單級(jí)、兩級(jí)或三級(jí)微控制器一直到運(yùn)行多級(jí)的多級(jí)超標(biāo)量設(shè)計(jì)。Bluespec 的 Hauck 說(shuō)道。“或者，你會(huì)看到人們擁有 4096 個(gè) RISC-V 處理器，每個(gè)處理器都是小型、簡(jiǎn)化的 RV32I 類型的東西，它們被組合在特定的系統(tǒng)架構(gòu)和互連中，使這些東西能夠按照 GPU 的精神運(yùn)行。它們由許多較小的整數(shù)單元組成，這些單元共同協(xié)作完成一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。挑戰(zhàn)在于如何為此開(kāi)發(fā)軟件？”

有了更大的靈活性，可能需要新的方法。“在大型 HPC 中，如果您運(yùn)行的工作負(fù)載更加面向數(shù)據(jù)中心，則它具有一組特定的特征。但如果您的應(yīng)用程序是科學(xué)應(yīng)用程序，也許有一些關(guān)于加載和存儲(chǔ)以及多種數(shù)學(xué)類型運(yùn)算的功能可以擴(kuò)展，”西門子 EDA 首席產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理 Andy Meyer 說(shuō)道。“如果人們選擇這條路線，生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。最大的增長(zhǎng)領(lǐng)域是超大規(guī)模應(yīng)用。如果你看看風(fēng)險(xiǎn)投資的金額，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們顯然正在解決一個(gè)獨(dú)特的問(wèn)題。”

軟件和生態(tài)系統(tǒng)

硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)一直是幾十年來(lái)的目標(biāo)，而 RISC-V 是少數(shù)幾個(gè)取得進(jìn)展的領(lǐng)域之一。“傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)不遺余力地將硬件和軟件分開(kāi)，”Klein說(shuō)。“硬件被創(chuàng)建出來(lái)，然后軟件人員就可以在上面自由發(fā)揮。假設(shè)是，如果硬件足夠通用，那么軟件將能夠完成提供系統(tǒng)功能所需的任何操作。如果您的計(jì)算能力和功耗有足夠的余量，那么這是可行的。我不會(huì)說(shuō)它效果很好，但它確實(shí)有效，盡管相當(dāng)浪費(fèi)。”

特定領(lǐng)域的計(jì)算開(kāi)始改變這一點(diǎn)。“要真正發(fā)揮數(shù)據(jù)流處理器的潛力就意味著針對(duì)特定應(yīng)用程序進(jìn)行定制，”Klein 補(bǔ)充道。“這意味著硬件和軟件團(tuán)隊(duì)需要共同努力才能取得成功。這讓很多組織和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)感到非常不舒服。”

有時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)是唯一的方法。“假設(shè)您需要在邊緣進(jìn)行一些處理，”Bluespec 的 Hauck 說(shuō)。“總會(huì)存在外形尺寸、尺寸或功率限制。再多的軟件創(chuàng)新也無(wú)濟(jì)于事。如果您有一個(gè)軟件堆棧，那么該堆棧就是它的本質(zhì)。您將無(wú)法對(duì)任何具有這些類型的約束的特定解決方案進(jìn)行軟件優(yōu)化。你必須進(jìn)入硬件領(lǐng)域。”

創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)時(shí)，處理器接觸到廣泛編程受眾的可能性較小，并且可以進(jìn)行更多優(yōu)化。“考慮一下已經(jīng)完成的矢量加密工作，”Himelstein說(shuō)。“沒(méi)有人會(huì)在他們的程序中編寫矢量加密。這不是他們所做的。他們所做的是使用庫(kù)，例如 libSSL 或其他一些加密庫(kù)，并且使用這些指令。有時(shí)他們通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)使用它們，然后提供 C、C++ 或 Java 接口，以便程序、應(yīng)用程序可以利用它們。”

當(dāng)需要通用編程時(shí)，它就會(huì)變得更加困難。“如果你看看 GPU 的生態(tài)系統(tǒng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)工具鏈?zhǔn)怯?NVIDIA 控制的，”Fan 說(shuō)。“包括AMD在內(nèi)的其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手曾試圖打破壟斷，但失敗了。通過(guò)擴(kuò)展RISC-V的標(biāo)準(zhǔn)指令集來(lái)兼容不斷更新的NVIDIA生態(tài)系統(tǒng)幾乎是不可能的。另一方面，重新開(kāi)始也很難，因?yàn)?NVIDIA 具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。”

成功的時(shí)刻

盡管如此，RISC-V 的核心在于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。“我們所看到的關(guān)于為什么遺留解決方案是目前最佳解決方案的許多觀點(diǎn)都是歷史性的，”Hauck 說(shuō)。“智能架構(gòu)師和智能軟件開(kāi)發(fā)人員真正發(fā)揮其專業(yè)知識(shí)的地方將是 RISC-V 類型的環(huán)境。”

它始于公共需求。“如果有需要，人們就會(huì)聚集在一起進(jìn)行協(xié)作，而 RISC-V 就是協(xié)作，”西門子的 Meyer 說(shuō)道。“你會(huì)看到一個(gè)又一個(gè)的例子，世界各地正在發(fā)生各種不同的倡議和聯(lián)盟。生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)展，但商業(yè)方面和支持社區(qū)之間需要保持平衡。”

這可能會(huì)帶來(lái)一些業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)，尤其是在收回投資回報(bào)時(shí)。“RISC-V 還需要一段時(shí)間才能趕上并與成熟的產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)，”Hauck 說(shuō)。“但你會(huì)開(kāi)始發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某些應(yīng)用程序，只要有合適的公司支持，RISC-V 處理器就沒(méi)有理由不能成功。那里有很多優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)人員。最終他們會(huì)到達(dá)那里，因?yàn)樯鐓^(qū)擁有他們創(chuàng)新所需的所有工具。”

那么我們還要多久才能看到 RISC-V GPU 和 AI 處理器呢？Himelstein 表示：“如果您想要為非 GPU 類型的世界提供合理的 AI 功能補(bǔ)充，那么今天您已經(jīng)擁有了。” “但是，經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的矩陣以及這些團(tuán)體一直要求的所有其他內(nèi)容的完整補(bǔ)充可能會(huì)在大約一年半的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，其中基本內(nèi)容可能會(huì)出現(xiàn)，然后高級(jí)內(nèi)容可能會(huì)在三到四年內(nèi)出現(xiàn)”。

增量方法可以使部件的使用速度更快。Fan 表示：“分別標(biāo)準(zhǔn)化每個(gè) GPU 功能比標(biāo)準(zhǔn)化整個(gè) GPU 產(chǎn)品要好得多。” “至于人工智能功能，我們認(rèn)為正在進(jìn)行的 RISC-V 矩陣擴(kuò)展對(duì)于 IC 設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是更好的選擇。”







審核編輯：劉清