挖掘RISC-V金矿,分几步?




作者 | 包永刚

编辑 | 王川

未来有时候比人们的想象跑得更快。

正如刘慈欣在《三体》里写道,人类是一个会发生“技术爆炸”的种族。

时代滚滚向前的车轮,不断重塑人们对技术的认知。哪怕是点燃星星之火的人,都难以想象未来的野火燎原。

在1946年发明世界上第一台通用计算机的莫克利和艾克特,无论如何也预料不到曾经用170平方公里、30吨庞然巨物才能得到的算力,如今可以通过云计算轻松获取。

1961年提出人工智能概念约翰·麦卡锡,也难以想象如今AI助手活跃在人们指尖的场景。

1990年代发明手机的马丁·库帕,也想不到,他研发的移动通讯工具有一天几乎进化成了人类的“外置器官”,浸入生活的方方面面。

这些意料之外的背后,都围绕着一个情理之中:底层处理器的演进。

20世纪末,Arm CPU进军PC市场并不顺利,但在转向移动CPU市场并改变了商业模式之后,最终柳暗花明,成就了移动互联网的繁荣。

21世纪初,在PC处理器市场风生水起的x86 CPU,意外的以性价比优势打入了服务器市场促进了云计算的发展。

2010年,新兴的指令集RISC-V在加州大学伯克利分校诞生,2014年国内第一批接触RISC-V的人被RISC-V开源的特性吸引,但没人知道RISC-V未来会如何发展。

阿里平头哥的团队在2014年接触到RISC-V时,同样对这个新兴指令集商业化的前景持疑惑态度。认可开源理念的平头哥,后来先验证了RISC-V的技术能力,又证明了RISC-V的高性能。

2022年金秋,平头哥带着玄铁C908冲入了RISC-V高能效CPU的蓝海,要去边缘AI市场探索了。

这是平头哥的关键一战,也会是RISC-V前进道路上的一个重要里程碑。

RISC-V会给科技行业带来的“意外”,藏在RISC-V近几年的发展里。

高能效蓝海,RISC-V拿出两大杀手锏

2014年,RISC-V还只活跃在少数技术爱好者的圈子里。“2014年时对于要不要全力投入RISC-V,我们也有些不确定。”平头哥副总裁孟建熠说,“主要是担心这个来自学术界的指令集能力是否足够,也不清楚它功能的优势在哪。”

这其实也是大部分对RISC-V持观望态度的人的担忧,但在开源的理念的号召力下,学术界的近一步研究,加上技术极客贡献等的共同努力,2016年RISC-V传入中国,开始引发关注。

2018年,早早就接触到RISC-V的平头哥也率先研发出首款RISC-V CPU——玄铁E902,这是一款性能不高,主打低功耗特性CPU。这其实是平头哥试水RISC-V的产品,在验证了RISC-V的低功耗之后,平头哥在一年后又推出了一款主频性能可达2.5GHz的玄铁C910,用RISC-V做高性能产品的能力也被验证。

对RISC-V有了足够的信心之后,2020年平头哥又推出了更具成本优势的玄铁C906,这也是全球首个主频超过1GHz的商用CPU。一年后平头哥又推出了性能提升的玄铁E907。

市场一直在期待Arm Cortex A55级别的高能效RISC-V产品一直缺位。

Cortex A55是Arm早在2017年就推出的产品,直到2022年,还有包括家电SoC、汽车MCU等诸多产品仍采用Cortex A55内核。这足以说明市场对高能效CPU的需求,于是在2022云栖大会上,平头哥发布了最新一代高能效CPU玄铁C908。

既然是后发的产品,想要在市场上成功,就必须有更吸引用户的特性。

“玄铁C908是现在玄铁的家族里,能效最突出的产品。”孟建熠介绍,平头哥从CPU整个架构以及AI能效两个方面推动技术创新。

在拥有比同级别Arm A55有更高性能的同时,玄铁C908的更高能效,以及原生支持AI是其在高能效蓝海市场的两大杀手锏。

数据显示,玄铁C908的主频性能最高达2.0GHz,相比玄铁C906性能提升40%,能效比提升24%,原生支持Vector 1.0,相比Cortex A55具有超过20%的能效优势。

“RISC-V本身就有精简的优势,要在精简的架构下进一步实现高能效,我们能做的事情就是把整个硬件电路设计得尽可能的简化和巧妙,实现更加极致的能效比。”孟建熠说。

要实现高性能和高能效的CPU有很大的挑战,平头哥为了提升能效进行了多方面的创新,一方面选择了9级双发射流水线;另一方面,采用了指令融合技术,也就是把两条指令变成一条执行;还有,通过内存带宽的优化实现能效提升。

原生支持AI作为玄铁C908实现差异化的杀手锏,也需要考虑能效。平头哥基于标准Vector架构又做了扩展设计,支持新的Int4数据格式,使得玄铁C908在原生支持AI的同时能兼顾高能效。

使用C908的客户,如果对AI的算力需求是1TOPS以下,就不再需要单独的NPU。这对于客户而言,不仅免去了在市场上数十款NPU中选择的烦恼,还能降低开发的难度。

不要小看1TOPS的AI算力,这个算力足以满足当下大部分智能摄像头的智能化需求,也能开发出近来比较受欢迎的AI扫描笔。

“一个新兴的架构,肯定要找新兴的市场和新兴的应用。因为从市面产品最有发展空间的环节先率先突破,更容易形成规模化应用的示范。”孟建熠说。

使用电池供电,对AI有需求的产品,正是适合RISC-V高能效CPU率先突破的蓝海,这一领域的智能化需求越来普及,但要在这一领域掘金,挑战还是在生态。

差异化的技术之外,平头哥还会提供一整套的解决方案,这也与Arm的方式有所不同,这让用户开发更加容易,也能进行更自由的选择。

掘金边缘AI四大金矿,生态是最强工具

玄铁C908有非常明确的应用场景——智能交互、多媒体终端、AR/VR、无线通讯等。“玄铁C908应该是我们中高端产品中量最大的一个产品。”孟建熠判断。

市场对产品需求的迫切程度从商用化的速度就可以看出。雷峰网(公众号:雷峰网)了解到,玄铁C908已经有多个早期的用户,其中一个就是同样在RISC-V领域耕耘多年的嘉楠科技。嘉楠科技基于玄铁C908正在开发一款定位中高端的立体的视觉AI的芯片。

想要将产品推向更广阔的市场,就需要生态的繁荣。芯片与上层生态的关系就像是树根与树干树枝的关系,只有芯片有足够的能力,上层的软件生态才能繁荣。

衡量一款处理器,不仅仅要看硬件,基础软件的能力也不可或缺,这已经是业界的共识。

“我们提供完备的开发工具,同时也在持续投入。今年,我们最重要的进步是已经有非常丰富的第三方商用工具的支持。也有越来越多的开源工具支持我们的处理器。”孟建熠介绍,“我们已经与一些生态中非常有影响力的公司的合作,同时有第三方商用和开源工具的支持会成为我们处理器的特点。“

同时商用和开源工具链的优势就在于,更容易解决开发过程中遇到的问题。

比如,在RISC-V的生态中,调试的问题做的还不是很好,平头哥已经有比较好的方案。平头哥提供HHB的编译工具,这个工具不仅能很好地使用玄铁CPU的AI能力,也能很好的支持第三方的AI IP。

更上一层,平头哥推出的跨平台视频视觉的应用框架TMedia,具有高弹性、高能效和高可扩展性的特性,更好支持客户开发应用。

只有芯片底层的软件工具依然不够,还需要支持主流的操作系统。在低功耗的MCU市场,RISC-V的应用并不依赖软件生态,这也是即便没有成熟的生态RISC-V能出货100亿颗芯片的关键原因。

要在高能效的边缘计算市场掘金,就绕不开软件生态的问题。今年,整个RISC-V一个重大的进展是谷歌Android原生支持RISC-V处理器,Andriod有非常庞大且丰富的移动生态,Andriod原生支持RISC-V对于RISC-V在移动市场的应用又增加了新的空间。

“这具有标志性意义,谷歌Android接纳RISC-V,就像是RISC-V正式进入Andriod生态的赛场,之前更像是在场外热身。”孟建熠说。

实际上,Andriod支持RISC-V,平头哥发挥了关键性作用。

除了移动生态,RISC-V也走向了更高性能的PC市场。2022年云栖大会上,平头哥也宣布完成RISC-V与统信操作系统社区版本的首度适配,成功运行桌面环境及多款办公、开发类软件。

不止于此,就在不久前,基于高性能SoC原型“曳影1520”,平头哥完成龙蜥操作系统的适配,这是全球首个RISC-V架构兼容云上操作系统。

从终端到PC端再到云端,平头哥已完成RISC-V与RTOS、Yocto Linux、Android、龙蜥、统信deepin等国际主流和国产操作系统的深度适配。 

这也意味着,平头哥已经扫除了RISC-V开发者开发从端到云软件系统适配的障碍,虽然接下来仍然有大量的工作要做,但至少已经开创性的迈出了第一步,为接下来RISC-V生态的繁荣,和应用的丰富,提供了良好的基础。

“无论在通用计算还是资源受限的计算中,RISC-V的生态都已经建立了一定的基础。” 中国软件行业协会理事,嵌入式系统分会理事长何小庆认为。

孟建熠认为,RISC-V芯片出货1000亿颗的时候,RISC-V的生态那时应该已经基本建立,也能证明RISC-V架构顽强的生命力。

硬件逐步完备,软件生态加速发展,RISC-V能有带来怎样让人惊喜的应用,关键还在于把握RISC-V发展的方向。

RISC-V也要做5G模式

中国工程院院士倪光南在2022云栖大会上表示:“开源模式已从软件领域走向硬件领域,RISC-V为我国掌握芯片产业发展主动权提供了机遇。中国要在全球开源领域中发挥应有的作用,为打破技术垄断和推动世界协同创新,贡献中国智慧、中国方案和中国力量。”

显然,RISC-V的核心是开源,要把RISC-V的架构做稳定,需要不同公司从不同角度探索,否则架构就没有生命力。这时候,能够贡献更多的机构或公司,对于RISC-V未来的发展也会起到更重要的作用。

这也是中国公司的机会。中国科学院计算技术研究所研究员包云岗认为,过去20多年,中国的CPU发展主要有两种模式,一种是通过“引进-消化-吸收-再创新”的高铁模式;一种是独立构建技术体系,独立建设产业生态的北斗模式。

近年来,出现了第三种模式——5G模式,国内越来越多的企业自发地选择开放指令集RISC-V,参与RISC-V全球生态建设,通过融入国际生态、兼容国际标准、打造国际优势。”包云岗表示。

在CPU的5G模式下,更需要中国公司积极参与RISC-V标准的制定,为RISC-V社区贡献更多。

“在理念、公司规模、人才等条件的限制下,国内RISC-V公司相比国外许多公司无论是投入还是对开源社区的贡献相对都更少。”多位RISC-V业界的人士都对雷峰网说。

“我们的软件团队慢慢走出了一条路,会在软件上有一定的贡献,我们慢慢会有这样的一套体系,这套体系的投入很大。我们也呼吁国内的公司也加大在RISC-V领域的投入。”孟建熠说。

据悉,平头哥是RISC-V国际基金会董事会成员,领导基金会中的数据中心、存储管理、安卓、安全等11个技术方向,重要性及数量居世界前列、中国机构首位。

正如x86和Arm在发展的历程中都遇到了意外,当下还没有人能知道RISC-V能给世界带来怎样的惊喜,但只有在标准制定和生态发展中有更大的贡献,才更有机会创造历史。

阿里巴巴正在形成的端云一体的丰富生态,是否会带来一些革命性的变化?

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