RISC-V的高性能如何从核心层面延伸到芯片平台

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）目前，距离2022 RISC-V中国峰会上阿里平头哥发布无剑600已经过去了很多天了，不过产业界对于RISC-V发力高性能运算市场的讨论声却愈发趋向鼎沸，不见消退之势。那么，本文我们就再次透过无剑600及SoC原型“曳影1520”来看一下RISC-V进军高性能运算市场的前路，哪些方面是有迹可循的，哪些方面需要基于RISC-V架构进行原始创新。首先，我们还是简单回顾一下无剑600这个芯片平台。根据平头哥半导体副总裁孟建熠的介绍，无剑600平台是全球RISC-V性能最高的可量产SoC芯片设计平台：它支持4核高性能RISC-V处理器，最高主频可达2.5GHz，实现了CPU+XPU异构架构的全面优化；支持64位LPD-DR4X，最高吞吐率4266MT；整合4TOPs的Int8AI算力；全流程满足GP TEE国际安全标准。为了证明无剑600这条路是可行的，是能够走通的，因此平头哥基于无剑600平台 “打样”了曳影1520。那么，上述这些就是背景了。汇总起来就是，平头哥的无剑600为RISC-V提供了一个方法论，帮助产业界跨越了很多原始创新。虽然业界都很关注无剑600平台，不过目前少有人从其上面去推断接下来一段时间RISC-V该如何走？RISC-V的高性能如何从核心层面延伸到芯片平台？

主频提升的挑战

首先，走向高性能，基于RISC-V实现的芯片需要实现高主频，无剑600的最高主频可达2.5GHz。如果大家将无剑600和现在基于RISC-V实现的MCU去比对，会发现这之间的跨度非常大，因为目前很多该类型的MCU主频均低于200MHz。对于计算芯片而言，主频的高低是性能的一个典型特征，在不考虑能耗和散热等问题的情况下，主频越高芯片迸发的性能会越强劲，CPU的性能=时钟频率*IPC（IPC即一个时钟周期完成的指令数），这也就是为什么硬件发烧友会热衷于做英特尔和AMD芯片的超频，因为这是对性能的极致压榨。因此对于RISC-V做高性能计算芯片而言，第一个要解决的问题就是频率升高带来的功耗和散热问题。此外，主频提升还会带来芯片流水线设计的挑战，以及对工艺和散热体系有了更高的要求。

同质多核的挑战

其次，英特尔和AMD在本世纪初的斗争已经表明，单纯提升单核主频是一条并不明智的路线，多核协同是现阶段的主要途径。我们从无剑600来看，它最多可以支持四核。过往笔记本和服务器处理器的多核属于同质多核，核心都叫CPU，传统MCU和MPU的多核基本也是如此。多核能够在工作负载处理上带来显著的提升，比单核提升主频要有效的多。然而，同质多核一个典型的改变是并行架构和程序的设计转变，从单核到多核，这方面会有本质性的改变，便会带来巨大的设计挑战，对软件程序也有更高的要求。并且，在多核设计的过程中，就会出现内存争夺和资源争夺，也就是系统调配需要能够顺从并发程序，否则资源利用率将大打折扣。此外，多核在系统新的时间动态下会出现新的错误类型，这在传统CPU方面已经证明过了，如何解决这些新问题、新BUG，也是一个挑战。

异构多核的挑战

从当前的计算芯片发展趋势，以及无剑600的布局来看，未来异构计算是一个必然的趋势，让专业的人做专业的事情，这就是异构计算的精髓所在。根据相关统计数据，仅仅是中国市场，异构计算类型的服务器市场规模到2023年就将达到44.5亿美元，比2019年翻倍还要多。正如上面介绍提到的，无剑600实现了CPU+XPU异构架构的全面优化。XPU是异构计算的典型特征，成为半导体芯片厂商竞争的新赛道，包括DPU、APU、TPU、IPU等多种类型，就像DPU性能描述的那样，它是处理CPU处理不好，而GPU处理不了的任务，其他的XPU其实出发点也是类似的。从RISC-V架构优势来看，其开源、模块化、可扩展的特性和XPU理念是不谋而合的，能够帮助异构计算塑造更多类型的XPU核心，帮助完成处理器内部多核的多元化，实现CPU的任务卸载，让CPU回顾系统调度的本质工作。然而异构多核就意味着系统设计更加复杂，需要更好的硬件系统平衡性来达到最佳的性能，并且需要统一的标准，这些层面RISC-V都处于建设中的状态，因此需要双轨并进，那么挑战自然就会大得多。

RISC-V的老生常谈

对于RISC-V而言，上面的挑战虽然大，不过相较于接下来的这个挑战，那些挑战都更容易克服，都不叫事儿。很多业者都认同的是，对于RISC-V而言，成败只看生态。目前RISC-V已经明确了此后一段时间里操作系统的目标——Linux、RTOS和安卓。不过，虽然无剑600成功适配了Linux、安卓等诸多操作系统，不过还需要解决软件生态的问题。综合而言，RISC-V要解决的生态短板包括IP、设计工具、工具链、基础软件和应用研发等多个层面，对于冲击高性能计算市场的RISC-V而言，这些方面当前更显贫瘠，但却是一个绕不开的坎。

审核编辑：彭静