電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）近日，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處理器核和“傲來”RISC-V原生操作系統(tǒng)作為中國科學(xué)院“先導(dǎo)”項目成果發(fā)布。

根據(jù)中科院計算所副所長包云崗介紹，第二代“香山”開源高性能RISC-V處理器核，于2022年9月研制完畢，計劃2023年6月流片。性能超過2018年Arm公司發(fā)布的 Cortex-A76內(nèi)核。

高性能的開源RISC-V內(nèi)核

RISC-V 起源于加州大學(xué)伯克利分校，發(fā)展至今已經(jīng)有了長足的進步。去年7月，RISC-V International首席執(zhí)行官Calista Redmond就曾表示，RISC-V架構(gòu)芯片出貨量已突破百億顆，僅用12年就走完了傳統(tǒng)架構(gòu)30年的發(fā)展歷程。

從運作模式來看，雖然RISC-V指令集主打開源開放，不過到了內(nèi)核層面開始出現(xiàn)差異。部分公司選擇商業(yè)化運營RISC-V內(nèi)核，這些公司的內(nèi)核產(chǎn)品是需要商業(yè)授權(quán)才能夠使用的，比如SiFive、芯來科技、賽昉科技等公司都是如此。同時，也有一些公司自己開發(fā)RISC-V內(nèi)核，然后將這些內(nèi)核用作自己公司處理器的協(xié)處理器，這也是一種商業(yè)化的模式。

而包括中科院計算所在內(nèi)的一些機構(gòu)和公司，則是選擇以開源的方式打造RISC-V內(nèi)核。另外，西部數(shù)據(jù)的SweRV項目也是一個具有代表性的開源RISC-V內(nèi)核研發(fā)項目。

據(jù)介紹，作為開源RISC-V處理器內(nèi)核，第二代“香山”處理器內(nèi)核基于Chisel硬件設(shè)計語言實現(xiàn)，支持RV64GC指令集。其內(nèi)核架構(gòu)“南湖” 采用中芯國際14nm工藝制造，目標(biāo)頻率是2GHz，SPECCPU分值達到10分/ GHz，支持雙通道DDR內(nèi)存以及PCIe、USB、HDMI等更多功能。

“傲來”RISC-V原生操作系統(tǒng)集成了中科院軟件研究所的最新科研成果，相關(guān)核心關(guān)鍵技術(shù)已輻射至RISC-V開源社區(qū)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，幫助社區(qū)和企業(yè)解決RISC-V操作系統(tǒng)的諸多痛點問題。

從產(chǎn)品性能來看，第二代“香山”處理器內(nèi)核已經(jīng)媲美目前SiFive等公司的前沿產(chǎn)品，這些產(chǎn)品主要對標(biāo)的ARM內(nèi)核就是Cortex-A76內(nèi)核，因此已經(jīng)進入RISC-V內(nèi)核發(fā)展的第一梯隊。包云崗指出，“香山”作為國際上最受關(guān)注的開源硬件項目之一，已在全球最大的開源項目托管平臺GitHub上獲得超過3580個星標(biāo)，形成超過449個分支（Fork）。

開源RISC-V內(nèi)核的進擊之路

對于RISC-V而言，打造一個開源內(nèi)核生態(tài)是其能夠發(fā)展壯大的重要一步。正如中國工程院院士、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所學(xué)術(shù)委員會主任孫凝暉所言，智能物聯(lián)網(wǎng)時代，開源處理器芯片及軟硬件生態(tài)是戰(zhàn)略新高地。

目前，在開源RISC-V內(nèi)核方面，基本可以分為四個大方向，分別是以Rocket為代表的標(biāo)量處理器，以BOOM為代表的超標(biāo)量亂序執(zhí)行處理器，以O(shè)RCA為代表的嵌入式應(yīng)用處理器，以SHAKTI為代表的處理器家族。當(dāng)然，這些基本是以國外團隊的項目來劃分的，不過確實也代表了開源RISC-V內(nèi)核的主流方向。

Rocket是UCB設(shè)計的一款64位、5級流水線、單發(fā)射順序執(zhí)行處理器，主要特點有支持MMU，支持分頁虛擬內(nèi)存，支持移植Linux操作系統(tǒng)，兼容IEEE 754-2008標(biāo)準(zhǔn)的FPU，以及具有分支預(yù)測功能等。這款開源處理器在面積、功耗和性能方面相對均衡，對標(biāo)Cortex-A72內(nèi)核。

BOOM是UCB設(shè)計的一款64位超標(biāo)量、亂序執(zhí)行處理器，相較于Rocket，其性能水平更高，支持RV64G。這款處理器具有高度可配置特性，可配置參數(shù)包括取指、譯碼、提交、指令發(fā)射的寬度，有序發(fā)射還是無序發(fā)射等。其相較于ARM Cortex-A9內(nèi)核，在性能占優(yōu)的情況下，面積更小、功耗更低。

SHAKTI是印度理工學(xué)院開發(fā)的一個開源處理器內(nèi)核家族，包括32位標(biāo)量處理器E-Class，32位或者64位標(biāo)量處理器C-Class，64位、1-8核亂序執(zhí)行處理器I-Class等。這個項目的目的是讓開源RISC-V內(nèi)核能夠適用于各種不同的應(yīng)用方向。

最后，PicoRV32是由VectorBlox公司設(shè)計的一款32位標(biāo)量處理器，目標(biāo)是應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。

過往大部分業(yè)者都認為開源RISC-V處理器內(nèi)核只適用于科研和教學(xué)，但是現(xiàn)在已經(jīng)有公司選擇基于開源RISC-V處理器內(nèi)核打造商業(yè)化產(chǎn)品。包云崗介紹稱，已有一批企業(yè)正在基于“香山”開發(fā)高端芯片，如AI芯片、服務(wù)器芯片、GPU等，有望于2025年取得集體突破。

為什么在已有的開源RISC-V處理器內(nèi)核之外，中科院還要布局自己的項目呢？目標(biāo)是爭奪開源RISC-V內(nèi)核發(fā)展的主線權(quán)。包云崗曾在去年的分享中表示，“要建立一個像Linux那樣的開源RISC-V核主線，既能被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，又能支持學(xué)術(shù)界試驗創(chuàng)新想法。最關(guān)鍵的是，一定要讓它像Linux那樣至少存活30年！”

因此，在第二代“香山”處理器內(nèi)核之后，第三代“香山”處理器內(nèi)核也在積極部署，新一代的內(nèi)核是基于昆明湖架構(gòu)搭載，對標(biāo)ARM N2，為數(shù)據(jù)中心和算力設(shè)施等領(lǐng)域提供高性能 CPU IP核。

開源RISC-V的挑戰(zhàn)

不過，開源RISC-V內(nèi)核的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)，比商業(yè)內(nèi)核的挑戰(zhàn)甚至更大。

首先是從內(nèi)核本身來看。開源RISC-V內(nèi)核為了保持對于多數(shù)行業(yè)的普適性，因此往往會有條件碼（condition code）和分支延遲槽（branch delay slot），這會讓真正使用內(nèi)核的人需要面對更高的復(fù)雜性。

其次是開源RISC-V內(nèi)核面臨著開源驗證工具的缺失，英特爾首席軟件工程師Mike Chin曾在使用RISC-V過程中專門指出了這個問題。從理論上講，開源芯片設(shè)計肯定是可行的，但是缺少開源驗證工具，最終出來的芯片很難商業(yè)化。

第三點是隨著芯片的性能提升，軟件框架的作用開始凸顯出來，因此開源RISC-V內(nèi)核構(gòu)建的芯片很可能面臨底層架構(gòu)和中間件缺失的問題，這也讓其很難走出實驗室。

小結(jié)

開源RISC-V內(nèi)核相較于商業(yè)RISC-V內(nèi)核有著更大的愿景，有可能塑造一個全新的芯片生態(tài)，而不是像現(xiàn)在一樣更多是在追隨Arm公司的步伐。不過，顛覆性創(chuàng)新的難度是巨大的，開源一詞既是優(yōu)勢，也是巨大的挑戰(zhàn)。因此，有業(yè)者建議，內(nèi)核開源是沒有問題的，但是在開發(fā)芯片過程中一定是有收費項的，讓更多人覺得有利可圖，免費的東西不一定是好的。