RISC-V沖向Arm新藍海

“三分天下有其一”是業(yè)界對RISC-V架構(gòu)的定位和期許，開源帶來的開放生態(tài)、靈活性和高度可定制性，讓RISC-V成為搭建計算生態(tài)的一種新選擇。

今年7月，RISC-V International首席執(zhí)行官Calista Redmond就指出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，預(yù)計2025年RISC-V架構(gòu)芯片更有望突破800億顆。

不難看到，RISC-V生態(tài)發(fā)展正在顯著加速。

但是，RISC-V應(yīng)用此前更多集中在低算力的MCU市場以及生態(tài)依賴性低的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

對于RISC-V來說，高性能領(lǐng)域是一個高價值的市場，有利于RISC-V產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展，躋身高性能領(lǐng)域，是芯片架構(gòu)走向主流的重要標志。

隨著RISC-V生態(tài)完備度及市場需求的進一步增長，以服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心為代表的高性能領(lǐng)域成為RISC-V產(chǎn)業(yè)下一步的落子方向。

Arm攻城拔寨，RISC-V苗頭漸起

在目前的CPU市場，x86架構(gòu)及Arm架構(gòu)仍然是全球最為主流的指令集架構(gòu)。其中，x86架構(gòu)統(tǒng)治著PC及服務(wù)器市場。

據(jù)IDC 2021年發(fā)布的《全球服務(wù)器季度跟蹤報告》顯示，x86服務(wù)器收入占全球服務(wù)器收入的90.3%，非x86（包括Arm、RISC-V等）服務(wù)器收入僅占全球服務(wù)器收入的9.7%。

然而，面對這樣的市場格局，自2008年開始，壟斷移動市場的Arm便計劃進入服務(wù)器芯片市場，但由于當時在服務(wù)器生態(tài)上的孱弱，不少芯片廠商投入數(shù)年后便紛紛放棄該賽道。

如今，隨著云計算需求變革以及Arm體系性能和生態(tài)環(huán)境提升，一眾高手紛紛加盟，企業(yè)開始逐漸轉(zhuǎn)向采用Arm架構(gòu)，帶動了云端采用Arm架構(gòu)服務(wù)器比例的增加，基于Arm架構(gòu)的服務(wù)器芯片陣營掀起了新一輪的“突圍”。

Arm推出的Neoverse平臺也成為了向服務(wù)器領(lǐng)域滲透的關(guān)鍵驅(qū)動力之一。

Arm Neoverse服務(wù)器CPU路線圖

近年來，云服務(wù)商也在圍繞Arm架構(gòu)頻頻發(fā)力，AWS自研服務(wù)器芯片Graviton的成功也引發(fā)了行業(yè)的潮流，其他主要的云服務(wù)提供商也在積極布局Arm服務(wù)器項目。

除上云廠商外，包括富士通、Marvell、飛騰、英偉達等廠商也均推出了Arm架構(gòu)服務(wù)器芯片，Arm架構(gòu)服務(wù)器芯片正在取得快速的進展。

據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)預(yù)測，預(yù)計到2025年，Arm架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器滲透率將達到22%，數(shù)據(jù)中心處理器格局正在悄然發(fā)生改變。

在Arm攻城拔寨的同時，RISC-V也對數(shù)據(jù)中心市場產(chǎn)生了興趣。RISC-V架構(gòu)則憑借著于開源、指令精簡、可擴展、模塊化等優(yōu)勢，在注重能效比的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大受追捧。但是，這并不意味著RISC-V無法進入更高性能要求的PC和服務(wù)器市場。

在這個過程中，涌現(xiàn)出一大批瞄準高性能RISC-V的國內(nèi)外廠商，將該架構(gòu)應(yīng)用從低端微處理器逐漸探入高性能計算領(lǐng)域。

此前，RISC-V最顯著的標簽是低功耗，平頭哥半導(dǎo)體在2019年率先推出最高主頻達2.5GHz的玄鐵C910，突破了業(yè)界對RISC-V的性能想象；今年11月底，國產(chǎn)RISC-V芯片廠商賽昉科技推出了全球首款面向PC應(yīng)用的高性能RISC-V芯片——昉·驚鴻8100；而后，據(jù)福布斯12月12日報道，芯片初創(chuàng)企業(yè)Ventana Microsystems公司在RISC-V峰會上發(fā)布了全球首款面向服務(wù)器的CPU——Veyron V1。

1. Ventana：首款面向服務(wù)器的CPU—Veyron V1

據(jù)介紹，Veyron V1采用先進的5nm制程工藝，基于Ventana自研的高性能RISC-V內(nèi)核，8流水線設(shè)計，支持亂序執(zhí)行，主頻高達3.6GHz，每個集群最多16個內(nèi)核，多集群最多可擴展至192核，擁有48MB共享三級緩存，擁有高級側(cè)信道攻擊緩解措施、IOMMU和高級中斷架構(gòu)（AIA）、支持全面的RAS功能、自上而下的軟件性能調(diào)整方法，可以滿足數(shù)據(jù)中心的各種需求。

據(jù)悉，Veyron VT1每核性能可與Arm的Neoverse V系列（Amazon Graviton 3中的V1和Nvidia Grace中的V2）相媲美，但時鐘更高。

值得一提的是，Veyron V1采用了類似AMD EPYC處理器那樣的Chiplet設(shè)計，允許客戶從Vnetana購買CPU、IO模塊，然后跟自己的加速器IP進行集成，最后成為一個完整的芯片。

按照計劃，Veyron V1已經(jīng)流片成功，預(yù)計將會在2023年年中正式推出，并在2023年下半年成功部署于數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。

2. 進迭時空RISC-V高性能核研發(fā)取得重大進展

進迭時空的第一代RISC-V融合計算處理器核X100在通用計算能力和面向應(yīng)用的融合計算能力上，均取得了重大突破。X100的通用計算性能超過Arm A75，在AI應(yīng)用、視覺應(yīng)用、機器人應(yīng)用等方面則大幅領(lǐng)先Arm A76。

鑒于上述在通用計算能力和融合計算能力上的突破，X100非常適合用于邊緣服務(wù)器、高端智能機器人、自動駕駛等場景。雖然市面上不乏RISC-V的計算核心，但能落地和商用的國產(chǎn)高性能RISC-V核仍十分稀缺，X100 無論在規(guī)格、性能、融合算力上均達到了國內(nèi)的新高度。

目前搭載X100處理核，由進迭時空自主研發(fā)的高性能SoC也在同步開發(fā)中，并與多個合作伙伴展開深度的技術(shù)合作。進迭時空將為行業(yè)提供算力更強大，性能更優(yōu)越的RISC-V計算芯片。

3. 睿思芯科：RiVAI P600邊緣計算處理器發(fā)布，瞄準差異化市場

ICCAD 2022活動上，國內(nèi)RISC-V廠商睿思芯科發(fā)布了新一代邊緣計算處理器RiVAI P600。據(jù)悉，RiVAI P600 采用多核多線程的先進設(shè)計架構(gòu)，擁有高效的數(shù)據(jù)并行處理能力，特別適用于通用計算兼具數(shù)字信號處理需求的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心、存儲、WiFi6/7、DPU、5G通訊等場景，為更高計算需求提供算力。

此外，RiVAI P600在架構(gòu)設(shè)計上兼容自研Mesh互聯(lián)架構(gòu)，通過簡單升級即可支持16-32處理器核心，并支持DDR5和PCIe Gen5，廣泛面向數(shù)據(jù)中心新型存儲和智能網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用。

如今，P600已經(jīng)與中茵微電子等數(shù)家行業(yè)頭部合作伙伴聯(lián)合打造在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品落地，采用先進工藝制程完成流片和硅驗證，預(yù)計將于今年年底正式開始市場應(yīng)用。

今年以來，睿思芯科產(chǎn)品發(fā)布步履不停：6月，睿思芯科發(fā)布首個高性能RISC-V向量處理器DSP IP：RiVAI V7，首次將向量處理器引入專業(yè)音頻DSP領(lǐng)域，瞄準高品質(zhì)音視頻領(lǐng)域，滿足蓬勃發(fā)展的AR/VR、游戲及機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域?qū)?fù)雜數(shù)字信號的算力需求。目前RiVAI V7已經(jīng)落地，在國際知名頭部客戶中完成芯片集成與驗證，進入量產(chǎn)階段。

7月，睿思芯科亮相DAC大會進行專題演講，展示發(fā)布其針對視頻圖像處理與機器學(xué)習(xí)的新產(chǎn)品RiVAI V9+。而本次發(fā)布的RiVAI P600邊緣計算處理器，再次瞄準差異化市場。

隨著產(chǎn)品線拓展，睿思芯科旗下基于RISC-V的差異化IP產(chǎn)品將產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，進一步拓展RISC-V芯片的能力池，從技術(shù)儲備、開發(fā)生態(tài)到硅驗證，提供優(yōu)秀的PPA性能，保證合作芯片量產(chǎn)落地。

4. 賽昉科技：RISC-V在高性能計算領(lǐng)域大有可為

賽昉科技也在ICCAD 2022 期間表示：“隨著RISC-V基礎(chǔ)指令集的完備、RISC-V IP核的性能突破、高性能RISC-V芯片的相繼推出以及軟件生態(tài)的日趨完善，RISC-V架構(gòu)適合所有的計算場景，除物聯(lián)網(wǎng)外，在高性能計算領(lǐng)域亦大有可為?！?/span>

據(jù)介紹，賽昉科技自研的高性能RISC-V處理器內(nèi)核——昉·天樞已被諸多芯片客戶使用，被應(yīng)用于HPC、數(shù)據(jù)中心、PC等場景。昉·天樞是當前可交付的最高性能的RISC-V處理器內(nèi)核，性能對標Arm Cortex A76，采用12級流水線設(shè)計，可實現(xiàn)超標量、深度亂序執(zhí)行等。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員包云崗也指出，中科院RISC-V處理器香山定位于開源、高性能的公版IP核。如果有Arm A76以上算力的需求，香山是一個可以考慮的選擇。

前不久，騰訊宣布加入RISC-V陣營或許也是為了研發(fā)服務(wù)器芯片；SiFive、英特爾與谷歌等國際廠商也開始為RISC-V進軍數(shù)據(jù)中心鋪路...

業(yè)界正在用行動證明，高性能不再是RISC-V的禁忌之地，向高性能發(fā)展是RISC-V發(fā)展的必然趨勢。

與此同時，Arm近期又宣布禁止把性能先進的Neoverse V系列授權(quán)給中國芯片企業(yè)，Neoverse V系列正是為服務(wù)器芯片而研發(fā)。如此一來，中國芯片企業(yè)勢必迅速轉(zhuǎn)向RISC-V架構(gòu)，促使中國加快推動RISC-V進入服務(wù)器芯片等高性能領(lǐng)域。

一個新架構(gòu)要深入到原有市場，往往都是遵循“從低到高”滲透，比如IoT-智能機-PC-服務(wù)器這種路線。

只不過RISC-V可能會略有區(qū)別。嘉楠捷思副總裁湯煒偉表示，由于C端的用戶數(shù)量龐大，對于軟件完備度要求很高，因此需要體驗足夠好才能實現(xiàn)。但服務(wù)器市場則由于應(yīng)用相對少，相對會比C端更具進入機會價值，也更具可替代性。

其次是由于服務(wù)器的相對軟件棧寬度要略窄一些，解決幾個軟件問題就可以突破市場。因此， RISC-V會更先滲透到服務(wù)器領(lǐng)域，但能走多遠很大程度上取決于生態(tài)里合作伙伴的能力和努力。

進軍數(shù)據(jù)中心，RISC-V挑戰(zhàn)尚在

RISC-V在初步證明其商業(yè)化可用的路上，發(fā)展速度非?？?。在IoT市場站穩(wěn)腳跟后，正在往更高性能、更加縱深的方向去發(fā)展。

RISC-V基金會CTO Mark Himelstein透露，RISC-V在未來幾年將會發(fā)力汽車、數(shù)據(jù)中心和安全等多個應(yīng)用領(lǐng)域，包括最近備受關(guān)注的加速器和智能網(wǎng)卡也是RISC-V未來幾年的關(guān)注重點。

如果說穩(wěn)定性是RISC-V的安身之本，開放性是RISC-V的生命力，那么，向高性能領(lǐng)域邁進就是RISC-V的競爭力所在。

然而，RISC-V要想成功登陸數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、個人電腦等高性能市場，還有很大的距離，面臨諸多挑戰(zhàn)。

平頭哥半導(dǎo)體副總裁孟建熠此前在接受筆者采訪時表示：“數(shù)據(jù)中心肯定是RISC-V要往這個方向走的非常重要的一個方向，基金會現(xiàn)在其實是把數(shù)據(jù)中心作為一個很重要的方向在推進。但要往高性能發(fā)展，處理器首先本身要在性能上有突破，需要投入大量的研發(fā)精力和資金投入；其次，往高性能走，處理器的穩(wěn)定性也非常重要。上層軟件棧越厚，軟件與硬件的協(xié)同優(yōu)化就越困難，必須要求足夠的硬件穩(wěn)定性來適配更復(fù)雜的應(yīng)用場景。”

而對于RISC-V向高性能領(lǐng)域發(fā)展在軟件上的挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院軟件研究所總工程師武延軍指出，目前有很多核心的基礎(chǔ)軟件沒有很好的跑在RISC-V平臺上。這里可能會有指令集規(guī)范還不成熟的問題，但更多的是這些基礎(chǔ)軟件包之前都是在X86和Arm上面去跑，從維護者、社區(qū)的角度，還沒有把RISC-V當成Tier-1或者First-Class-Citizen度去對待。這里面有理念問題，有投入問題，也有商業(yè)利益回報問題。

基礎(chǔ)軟件的意義是避免生態(tài)碎片化，避免大家在同樣的指令集架構(gòu)下還去“造輪子”。因此在一些基礎(chǔ)的編譯工具鏈、操作系統(tǒng)，比如GCC/LLVM，Linux等，希望整個行業(yè)能夠合力去共同打造，而不是說每個RISC-V處理器廠家都要自己做一套，這其實是一個很大的浪費。

另外，開發(fā)者關(guān)心的外設(shè)IP授權(quán)問題依然在短期內(nèi)難以突破，也是高性能RISC-V發(fā)展道路上的一大攔路虎。

不過武延軍表示，RISC-V基金會理事會正在嘗試探索開源軟件曾經(jīng)走過的路。開源軟件在初期發(fā)展階段也遇到過專利訴訟，當時為了解決這一問題，IBM、英特爾、Linux基金會以及自由軟件基金會發(fā)起了名為“Open Invention Network（OIN）”的組織，組建專利池，凡是加入OIN組織的機構(gòu)都需要簽署相應(yīng)協(xié)議放棄對相關(guān)專利的主張，共同抵御外部的專利訴訟。

“如果未來RISC-V也能形成這樣的模式，對于外設(shè)IP專利上的障礙可能會逐掃清。但畢竟基礎(chǔ)軟件和半導(dǎo)體兩個行業(yè)不同，半導(dǎo)體行業(yè)的專利布局和獲利的歷史更久一些，形成的障礙、壁壘會更多一些，可能比軟件的難度要大很多?！蔽溲榆娬f道。

寫在最后

RISC-V于2010年誕生，發(fā)展至今，野心初露。

回過頭看，無論是Windows+Intel，還是Android +Arm，以及那些早已凋零的MIPS、PowerPC等芯片架構(gòu)，決定競爭終局的或許從來不是技術(shù)本身，而是豐富的上層應(yīng)用、高效的軟硬協(xié)同以及爆發(fā)的市場需求。

總結(jié)起來就是兩個字：生態(tài)。

對于RISC-V未來的生態(tài)發(fā)展趨勢，無論是IoT市場的規(guī)模化應(yīng)用，還是高性能領(lǐng)域的未來潛力，RISC-V這個新興架構(gòu)正吸引著全球眾多參與者躬身其中。當前，國內(nèi)外各大科技公司正在大力布局RISC-V架構(gòu)，通過這款開源、精簡的架構(gòu)平臺，設(shè)計出所需的芯片產(chǎn)品，或者通過RISC-V延伸出其它的生態(tài)系統(tǒng)。不管是軟件還是硬件，RISC-V的適配能力正逐步擴大。

展望未來，RISC-V與Arm和X86將會在競爭過程中逐漸找到自己的定位，不斷融合、互相借鑒、長期共存，形成“三分天下”的局面，在各自擅長的領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。