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1瓦功耗,5GHz频率:全球最快Risc-V芯片出世,效率超越苹果M1

2020-12-14

图灵奖获得者,计算机体系结构先驱 David Patterson:「这真是太神奇了。」

开放开源的 Risc-V 架构一直被认为前途不可限量,最近一段时间也获得了越来越多公司和机构的支持,市面上既出现了阿里平头哥这样的高性能处理器,也有华米打造的可穿戴设备芯片。

但习惯了 X86 Arm 架构的很多人一直对于 Risc-V 这个秉承开放的架构持怀疑态度,人人都能自主可控,是否能催生出完整的生态?

但首先,Risc-V 本身必须足够强大。


RISC-V 的惊人突破

十年前,加州大学伯克利分校的一个实验室里诞生了一个想法:有人想创造计算机芯片的通用指令,这套指令将被所有芯片制造商使用,但又不属于任何一个制造商。

虽然这个愿景还未实现,但最近的确发生了一件有趣的事情:该校的研究成果 RISC-V 已经开始在芯片设计方面取得一些技术突破。

根据全球半导体行业知名媒体 EE Times 的报道,前些天,一家位于加州森尼维尔的小型电子设计公司 Micro Magic 宣称:他们设计、生产出了全世界最快的 64 RISC-V 内核,比苹果的 M1 芯片和 Arm Cortex-A9 表现还要出色。该公司认为,该芯片优雅地实现了 David Patterson(参与创建 RISC-V 的加州大学伯克利分校教授)对精简指令集计算机(RISC)架构的最初设想,在当今用电池供电的设备上也能轻松工作。

Micro Magic 的声明中提到,这款原型 CPU 1.1v 电压下可以达到 5GHz 的时钟速度,远高于运行速度为 3.2GHz 的英特尔 Xeon 服务器芯片 E7CoreMarks 跑分达到 13000 分。而 1.1 伏时,该芯片只需要消耗 1 瓦的功率,不到英特尔 Xeon 功率的 1%。此外,单个 Micro Magic 核心在 0.8V 下可以达到 4.25GHzCoreMarks 跑分达到 11000 分,但消耗的功率仅为 200mW

与此同时,这款 RISC-V 芯片的速度和能效也超过了 Exynos 4Exynos 4 是三星电子为其智能手机生产的顶级部件,基于 ARM Holdings Plc 提供的计算核心,是英特尔的主要竞争对手。

David Patterson 在接受 ZDNet 采访时说:「这真是太神奇了…… 我认为 IBM 的大型主机有 5GHz 的液冷产品,但需要 100 瓦才能运行」。

David Patterson。图源:https://spectrum.ieee.org/view-from-the-valley/computing/hardware/david-patterson-says-its-time-for-new-computer-architectures-and-software-languages

Patterson 还表示:「我也听到过一些关于 FPGA 的令人印象深刻的数字,大概是 600MHz」,他指的是可重新编程芯片,「对于软核来说,这似乎相当快」。

Patterson 对技术创新的突飞猛进感到非常惊讶,「创新的潜力总是存在的」,但这并不是他和加州大学伯克利分校教授 Krste Asanovic 2011 年首次为 RISC-V 撰写宣言时的初衷。

「因为它是开放的,所以我们会看到很多这类竞争」,Patterson 反思道。

「也许是因为竞争激烈,我们开始看到设计领域一些真正有趣的东西正在被实现」,Patterson 说,他同时也是谷歌的杰出工程师。

新的 5GHz 处理器仅仅是一个原型,而不是一个车库起家的初创公司的产物。它是由硅谷芯片知识产权设计公司 Micro Magic Inc 制造的,该公司为硅谷所有的大公司提供咨询服务已有 25 年。一小队经验丰富的芯片设计师能够完成这样的任务,这意味着一场设计复兴可能即将到来。

这款芯片不仅在低功耗下速度更快,在基准得分上也赶超英特尔和三星的芯片。在 CoreMark 基准测试中,这款 RISC-V 芯片的得分为 13000 分,是基于 ARM Exynos 单核性能得分的两倍多。虽然英特尔 Xeon 名义上单核性能更高,达到 26009 分,但 Xeon 需要更多线程,120 个线程才能达到上述结果。

Micro Magic 业务联络人、长期担任芯片行业高管的 Dr. Andy Huang 在接受 ZDNet 电话采访时解释说:这一突破在于 CPU 和内存的交互方式。Micro Magic 的两位创始人 Mark Santoro Lee Tavrow 90 年代早期为一种 SRAM 计算机内存芯片申请了专利。

这一 RISC-V 原型芯片改变了存储快、芯片慢这种现状。

「如果内存运行在 5GHz,而逻辑运行在 1GHz,谁是瓶颈?」Dr. Andy Huang 打趣道。但他没有透露具体细节。


关键在于开放

Huang 还表示:他们成功的关键在于 RISC-V 是开放的,不像英特尔芯片的复杂指令集架构 CISC,也不像 ARM 芯片中的 RISC 版本。芯片设计可以解决上述瓶颈。但如果芯片的指令被锁定,瓶颈就很难解决。

为了解释这一点,Huang 还打了个比方。

「我问我儿子为什么他更喜欢三星(智能手机)而不是苹果,他说是因为如果他想改变什么,他可以让他的一个编程朋友帮他做,因为 Android 是开放的,不像 iOS」。Huang 这样比喻。

「这就是我们为什么要把所有的成功都归功于 Dr. Patterson」,Huang 说,「他创造了迄今为止最高效、最优雅的 RISC 架构」。

「我们应该叫他圣 Patterson」,Huang 说。

Micro Magic 芯片的成功不仅仅是修改指令集那么简单,还有一种经济因素在起作用。

Dr. Huang 强调,CISC ARM 的指令集都有 1000 多条指令,而 RISC-V 的指令不到 100 条。

由于 RISC-V 指令集简单,Micro Magic 能够使用标准硅晶圆生产其芯片,无需进行特殊调整。这使得使用所谓的 shuttle run 成为可能。在制造过程中,该芯片与其他家的芯片组合在同一个晶圆上。由于晶圆的成本是由多方共同承担的,所以这样可以节省成本。

「人们经常讨论用 1 亿美元来做一个定制的 ASIC」,Patterson 说,这意味他们想做一种为特定应用而调整的芯片。「但他们(Micro Magic)没有花 1 亿美元去做这件事」。

尽管 Patterson Huang 都没有强调,但还有一个经济因素也在起作用:如果你在 ARM 许可方面没有太多的预算,那么 shuttle run 会让你的处境变得容易一些,因为这样就可以将 ARM 许可费用分摊。

Micro Magic 的芯片在 3.08GHz 频率下的功耗是 0.69mW,此时的 CoreMark 分数为 8200 分。

考虑到世界上最大的芯片制造商之一英伟达(Nvidia)正以 400 亿美元的价格收购 ARM,这个经济方面的问题开始变得重要起来。

Nvidia 首席执行官黄仁勋(Jensen Huang)描述了他对 ARM 雄心勃勃的计划,并且他向华尔街保证,ARM 许可证的持有者、他的竞争对手们不会介意英伟达收购 ARM

但是此举显然为替代品提供了新的机会。当被问及这笔交易时,Patterson 表现得非常谨慎。 英伟达是 RISC-V 生态系统的成员,并全心全意地支持该技术。


巨大的想象空间

Micro Magic Huang 说,自从 Micro Magic 发布了简短的芯片公告后,就有科技巨头开始联系他。

「在那市值总和达到 4 万亿美元的四大科技巨头(苹果、微软、亚马逊、Alphabet)」中,已经有两家公司给我发来了电子邮件」,Huang 说,但他没有透露具体是哪两家公司。

Huang 的这个说法为我们提供了一个假设的空间,即苹果或谷歌可能利用该芯片在能效方面取得突破。

「谷歌已经拥有了移动开源软件 Android,想象一下,如果他们再拿到最节能、性能最强大的开源 RISC 核心,移动消费者将从中获得多少收益」,Huang 这样说道。

「再想象一下最新的苹果手表不需要每晚充电,」这是 Huang 提出的另一种可能性。

Huang 说,不管有没有这样的交易,Micro Magic 都希望将其 RISC-V 的知识产权应用到越来越多的设计中,从而在全球电力消耗方面取得实质性的进展。

「我们的目的是帮助世界,帮助个人电脑、笔记本电脑世界、平板电脑世界、手机世界、可穿戴设备、游戏、电动汽车和物联网…… 我们的目标是为将世界碳排放量减少一半做出贡献。」


五到十年之后,RISC-V 将成为最重要的指令集?

一个 CPU 原型并不是一场革命。通过与英特尔和其他公司的实际出货产品进行比较,我们可以发现一个事实,即完成芯片设计需要很多的部件。

这就是为什么围绕 RISC-V 的公司生态系统如此重要。目前,宣布将使用 RISC-V 的公司数量虽然不多,但正在增长。

Patterson 说:「所有你能想到的产品,甚至是数据中心,都有人在认真考虑 RISC-V」。

他说:「我们感觉,最难的地方已经过去了。几年前,我们讨论的是为什么要用 RISC-V,现在,我们讨论的是为什么我不用 RISC-V」。

SiFive 是硅谷的一家初创公司,多年来致力基于 RISC-V 的芯片知识产权的研发。八月份,该公司成立了一个业务部门 OpenFive,致力于为各种应用(包括 AI 和边缘计算)生产定制芯片。 Patterson 的合作者 Asanović教授是 SiFive 的首席架构师。

另一家典型的 RISC-V 生态支持者是台湾的嵌入式处理器制造商晶心科技(Andes Technology。多年来,该公司总共向电子产品制造商出售了数十亿的 CPU 设计。

上个月,SiFive Andes Technology 都在著名的芯片技术会议(Linley Fall Processor)上展示了使用 RISC-V 的人工智能新芯片设计。

SiFive 告诉 ZDNet,他们现在已经与 80 多家公司达成了 200 多项设计方案,其中包括前十大半导体制造商中的 6 家。凭借 FADU、华米、高通、三星和新思国际在设计领域取得的成功,目前 SiFive 的核心出货量已达数千万。

晶心科技在上个月的一份季度报告中对投资者表示,今年约三分之一的收入来自基于 RISC-V 的零部件。

大型磁盘驱动器制造商 Seagate Technology Western Digital 都是下个月举行的 RISC-V Summit 的赞助商,这是该生态系统的第三届年度技术峰会。该活动由 RISC-V 国际协会主办,该协会是一家非盈利机构,目前代表了 750 多个致力于推进该标准的缔约方,其中包括中国智能手机供应商华为、芯片制造商赛灵思、高通以及 IBMAsanović是该组织的主席,Patterson 是副主席。

然而,无论 RISC-V 有多成功,我们可能永远不会知道它的全部用途。这是因为,尽管 ARM 和其他商业技术提供商要求被许可方签署文件,但 RISC-V 的使用者无需披露其使用情况。

RISC-V 国际协会要求供应商自愿披露使用情况,但不强制。基于这个原因,很难看到 RISC-V 使用范围的具体证据,Patterson 说。

最近,Patterson 通过视频与合作者进行了一系列的一对一访谈,以庆祝 RISC-V 十周年。Patterson 告诉 ZDNet,其中一位合作者提出了一个惊人的观点:在五到十年内,RISC-V 可能是世界上最重要的指令集。「一方面,这听起来很疯狂,但这并非不可能。」Patterson 说道。

 

(转载自机器之心)

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