RISC-V切入云計算的元年，進(jìn)展如何了？

近兩年，RISC-V 作為 IT 產(chǎn)業(yè)鏈中國產(chǎn)替代中的重要一環(huán)備受關(guān)注。這個基于 BSD 協(xié)議開源，基金會總部設(shè)在瑞士的開源指令集也一直被視為 X86 和 ARM 強(qiáng)有力的競爭對手。不過，由于起步較晚，性能與生態(tài)尚未成熟，RISC-V 以往更多地是用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。今年，算能科技基于阿里平頭哥玄鐵 C910 開發(fā)了一臺 64 核 RISC-V 服務(wù)器 SG2042。這一動作則拉開了 RISC-V 挺入云計算領(lǐng)域的序幕，2023 也被業(yè)界看做是 RISC-V 進(jìn)入云計算的元年。

本期開源訪談我們邀請中國電信研究院云計算技術(shù)研究中心博士崔恩放為大家介紹 RISC-V 指令集落地的相關(guān)歷史與現(xiàn)狀，今年 5 月 27 日 - 28 日，崔恩放也將擔(dān)任 GOTC 2023 全球開源技術(shù)峰會講師，帶來有關(guān) RISC-V 的深度主題演講，與到場觀眾共同分享 RISC-V 云計算軟件開源現(xiàn)狀與探索工作。

嘉賓介紹

崔恩放，博士，就職于中國電信研究院云計算技術(shù)研究中心，目前為 RISC-V 研究負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé) RISC-V 云計算開源軟件供應(yīng)鏈建設(shè)以及 RISC-V 輕量級虛擬機(jī)研發(fā)。先后參與 3 項國家重點研發(fā)計劃、1 項國家自然科學(xué)基金項目、1 項北京市科委項目等。近年來發(fā)表 SCI 論文 4 篇，EI 論文 7 篇，中文核心 1 篇，授權(quán)專利 6 項等。曾擔(dān)任 IEEE EUC 2022 會議 Workshop Co-organizer、IEEE Infocom 2023 會議 Workshop TPC Member。

OSCHINA：先和大家介紹下您正在做的項目吧？

崔恩放：

我是來自中國電信研究院云計算研究團(tuán)隊的崔恩放，我們近期工作重點之一就是研究與驗證以 RISC-V 為代表的先進(jìn)計算技術(shù)在云計算場景中的應(yīng)用。舉例來說，計算虛擬化作為云計算領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，目前在 x86 和 ARM 芯片方面，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在核心技術(shù)自主掌控的大環(huán)境下，如何基于開放 RISC-V 指令集實現(xiàn)計算虛擬化是云計算行業(yè)的研究與驗證的焦點問題。在上述的技術(shù)發(fā)展背景下，中國電信以我們研究院團(tuán)隊為主，聯(lián)合天翼云相關(guān)團(tuán)隊，經(jīng)過半年多的重點攻關(guān)，成功完成了基于 RISC-V 指令集的輕量級虛擬機(jī)的研發(fā)與驗證。

中國電信研究院團(tuán)隊在 openEuler 開發(fā)者大會交流 RISC-V 輕量級虛擬機(jī)研發(fā)工作

OSCHINA：您個人最早接觸到開源軟件和 RISC-V 分別是在什么時候呀？

崔恩放：

我最早接觸開源軟件是在本科求學(xué)期間。歐美興起的開源軟件文化推動了軟件領(lǐng)域的迅速發(fā)展和進(jìn)步，我在學(xué)生時期就體驗了各種各樣的開源軟件。硬件領(lǐng)域開源的進(jìn)展要慢一些，但后來也參照了軟件領(lǐng)域的開源趨勢，出現(xiàn)了 RISC-V 開源指令集。RISC-V 自由開放的信念讓我對計算硬件領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展充滿了信心。借著作后也游行區(qū)常興奮，軟件的歷史社中國電信近年來著力打造云計算原創(chuàng)技術(shù)策源地，積極探索 RISC-V 開源芯片技術(shù)的絕佳機(jī)會，我本人積極爭取到了這個機(jī)會，希望能發(fā)揮自身力量，推動 RISC-V 技術(shù)在云計算產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

OSCHINA：RISC-V 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用歷史可以簡單介紹下嗎？

崔恩放：

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要具有低功耗、小尺寸和低成本等特點，RISC-V 指令集開源免費、簡單靈活、易于裁剪和優(yōu)化，很好的滿足了物聯(lián)網(wǎng)的需求，使得物聯(lián)網(wǎng)是 RISC-V 最早成功的場景，到今天有接近 10 多年的歷史。

RISC-V 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用歷史可以分為三個時期：初始探索時期、快速發(fā)展時期和應(yīng)用推廣時期。初期探索時期大約是 2010 年至 2014 年，RISC-V 的開發(fā)工作剛剛開始，主要由加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家推進(jìn)，研發(fā)了學(xué)術(shù)研究性質(zhì)的 RISC-V 物聯(lián)網(wǎng)芯片?？焖侔l(fā)展時期大約是 2014 年至 2018 年，在這個階段，一些公司開始采用 RISC-V 架構(gòu)來設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并將其應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器數(shù)據(jù)采集、智能家居等領(lǐng)域。2018 年至今是應(yīng)用推廣時期，一些大型公司開始支持和推廣 RISC-V 架構(gòu)，包括西部數(shù)據(jù)、英特爾等。到如今全球 RISC-V 芯片出貨量已超 100 億，其中絕大部分用于物聯(lián)網(wǎng)場景。

OSCHINA：從物聯(lián)網(wǎng)走向數(shù)據(jù)中心走、云計算領(lǐng)域，RISC-V 自身的優(yōu)勢在哪？

崔恩放：

您提的這個問題非常好，這個問題也是業(yè)內(nèi)經(jīng)常思考的一個問題。有研究顯示云計算處理了近 95% 的工作負(fù)載和計算實例，是對芯片底層技術(shù)要求最高的領(lǐng)域之一，如果一個指令集不能在云數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，很難稱其在云計算領(lǐng)域獲得了成功。

不同于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，在云數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，指令集一般被期待用于解決如下三個問題：高性能問題、高效能問題和技術(shù)生態(tài)問題。這正是 RISC-V 指令集的主要技術(shù)優(yōu)勢。具體來說 RISC-V 的優(yōu)勢包含三個方面：首先，RISC-V 設(shè)計了多種用于任務(wù)加速的指令集擴(kuò)展，可以實現(xiàn)向量計算、加解密等任務(wù)的加速，有較高的計算性能；其次，RISC-V 簡潔的特性，可以降低芯片的功耗，提升效能；最后，RISC-V 在國際上已經(jīng)形成了一定范圍內(nèi)的技術(shù)共識，有較好的技術(shù)委員會指導(dǎo)，有助于建立體系化、繁榮的生態(tài)。

OSCHINA：RISC-V 走向云計算已經(jīng)進(jìn)展到哪一步了？

崔恩放：

一般來說，芯片指令集走向云計算可以分為四個階段。第一個階段是指令集的設(shè)計和完善以及高性能芯片設(shè)計制造；第二個階段是服務(wù)器等整機(jī)設(shè)備的研發(fā)；第三個階段是應(yīng)用生態(tài)適配；第四個階段是大規(guī)模應(yīng)用普及。

目前業(yè)界已經(jīng)突破了高性能 RISC-V 芯片的設(shè)計制造和服務(wù)器的研發(fā)，正在積極推進(jìn)云計算應(yīng)用生態(tài)的適配。中國電信也積極的參與到了各個階段，并將跟合作伙伴一起做應(yīng)用適配、互認(rèn)證，對 RISC-V 上云起到應(yīng)用牽引作用，同合作伙伴共同將 RISC-V 云計算產(chǎn)業(yè)做大。

OSCHINA：行業(yè)關(guān)于 RISC-V 走向云計算的研究大概從什么時候開始的？

崔恩放：

RISC-V 國際基金會在 2021 年成立了 Datacenter/Cloud Computing SIG，開始研究將 RISC-V 應(yīng)用到云計算和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，這算是一個標(biāo)志性的時間節(jié)點。RISC-V 應(yīng)用到云計算主要涉及到芯片的研發(fā)和云計算軟件的適配。服務(wù)器芯片是近兩年開始研發(fā)的，2022 年到 2023 年國內(nèi)外相繼發(fā)布了數(shù)據(jù)中心高性能 RISC-V 芯片及服務(wù)器。云計算軟件的適配實際上開始的比較早，像一些常用的編程語言、編譯器其實在 2021 年之前就已經(jīng)開始適配了，國內(nèi)軟件適配工作研究最早的像中科院軟件所的 PLCT 實驗室，2020 年就在 OpenEuler 操作系統(tǒng)開源社區(qū)成立了 RISC-V SIG，也在 2023 年發(fā)布了 OpenEuler RISC-V 23.03 版本。中國電信也于去年開始進(jìn)行 RISC-V 上云技術(shù)的研究與驗證，以打造自主可控、高效能的國家云為長遠(yuǎn)目標(biāo)，推進(jìn)了天翼云自研云操作系統(tǒng) CTyunOS 在國內(nèi)首臺 RISC-V 服務(wù)器的適配，并自研了支持 RISC-V 輕量級虛擬機(jī)。

openEuler 開源操作系統(tǒng) RISC-V 適配大事記

OSCHINA：您所在的這個部門決定開始做 RISC-V 相關(guān)研發(fā)的目的是什么？中國電信處于產(chǎn)業(yè)鏈上的什么角色和地位，優(yōu)勢在哪？

崔恩放：

中國電信作為全球最大的運營商云提供商，憑借在云網(wǎng)領(lǐng)域特有的資源稟賦優(yōu)勢，不僅具有極強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)牽引作用，同時也一直致力于推動云計算技術(shù)、邊緣計算技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。在這個過程中，RISC-V 憑借其開放性、靈活性以及成本、性能優(yōu)勢正在成為上述兩個場景下全新的指令集架構(gòu)選擇。

2022 年以來，中國電信已經(jīng)實現(xiàn)云計算核心系統(tǒng)技術(shù)棧的全棧自研，并且完成一云多芯的國產(chǎn)化適配。在上述技術(shù)積累的基礎(chǔ)之上，2023 年開始，我們開始推動基于 RISC-V 開源指令集芯片的云化進(jìn)程，在這個方面中國電信具有技術(shù)先進(jìn)性。此外，中國電信可以發(fā)揮作為云計算原創(chuàng)技術(shù)策源地作用，承擔(dān)央企責(zé)任，協(xié)同上游 RISC-V 芯片廠商聯(lián)合推動 RISC-V 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與生態(tài)成熟。

無論在邊緣云還是中心云場景，中國電信不僅具有豐富多樣的應(yīng)用場景，同時還有巨大的規(guī)模優(yōu)勢，可在自身的業(yè)務(wù)中積極探索基于 RISC-V 架構(gòu)芯片和設(shè)備的采用，由此中國電信對于推動 RISC-V 生態(tài)建設(shè)、RISC-V 技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面都能發(fā)揮重要作用。

OSCHINA：近幾年關(guān)于 RISC-V 的研究與討論聽起來還挺多的，為什么這個成熟度還沒上來？

崔恩放：

當(dāng)前很多人認(rèn)為 RISC-V 還不夠成熟，這其實對于 RISC-V 的一種誤解，我們應(yīng)該分場景來看待 RISC-V 成熟度的問題。RISC-V 架構(gòu)的開源、低功耗特性和可擴(kuò)展性能夠很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式設(shè)備要求的低成本、低功耗、小型化的需求，可以說在這些場景下，RISC-V 是成熟的，并且已經(jīng)取得了很大的成功。在 2022 年 7 月，RISC-V 國際公司的首席執(zhí)行官 Calista Redmond 表示：“估計市場上已經(jīng)有 100 億個 RISC-V 核”，如此大規(guī)模的應(yīng)用就是一個很好的例證。

所謂 RISC-V 不成熟，主要還是指在面向數(shù)據(jù)中心、云計算場景的通用計算領(lǐng)域。這是由于多方面的原因?qū)е碌?，第一，RISC-V 針對通用計算還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，例如 IP 核設(shè)計、處理器架構(gòu)、編譯器等方面，都有待改進(jìn)以提高其性能核能力。第二，通用計算意味著更復(fù)雜的軟件生態(tài)，而這也是 RISC-V 亟需完善的地方。第三，RISC-V 在通用計算領(lǐng)域缺乏廣泛的應(yīng)用場景，整體還處于探索階段。這正是中國電信正在做的 RISC-V 在云領(lǐng)域的探索與實踐的意義，我們對于 RISC-V 還是抱有積極樂觀的態(tài)度。中國電信在云計算原創(chuàng)技術(shù)策源地的框架下會積極探索并推動 RISC-V 云計算場景應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)的研究，加速 RISC-V 云計算場景落地應(yīng)用的進(jìn)程。

OSCHINA：RISC-V 指令集的構(gòu)成是怎樣的？

崔恩放：

RISC-V 指令集主要包括非特權(quán)指令集和特權(quán)指令集，其中，非特權(quán)指令集又包括基礎(chǔ)指令集和擴(kuò)展指令集，基礎(chǔ)指令集就是整數(shù)計算指令集（整數(shù)加、位移等操作），擴(kuò)展指令集會針對一些特定的場景提供一些指令，比如 RISC-V 針對向量計算專門提供了 V 擴(kuò)展，針對加解密提供了 K 擴(kuò)展。特權(quán)指令集主要提供相關(guān)指令支持操作系統(tǒng)及虛擬機(jī)，如針對虛擬化提供了一個 H 擴(kuò)展。

RISC-V 指令集架構(gòu)

OSCHINA：RISC-V 可靈活定制的特性是如何實現(xiàn)的？

崔恩放：

X86 和 ARM 由于歷史原因，指令集多達(dá)上千頁、沒有模塊化區(qū)分，導(dǎo)致很難靈活定制。RISC-V 指令集簡潔，并進(jìn)行了模塊化區(qū)分，基礎(chǔ)指令只有 40 多條，其它指令可模塊化添加，使其具備了可靈活定制的特性。例如 RISC-V 基金會制定了向量計算、加解密、壓縮等指令集擴(kuò)展，用戶在設(shè)計芯片時可以選擇是否使用上述擴(kuò)展，也可定制私有的指令集擴(kuò)展，如針對通信任務(wù)加速定制編解碼指令擴(kuò)展等。

OSCHINA：您認(rèn)為 RISC-V 可能會在接下來的兩三年里擴(kuò)展到什么領(lǐng)域或是場景下？

崔恩放：

我認(rèn)為當(dāng)下兩三年 RISC-V 會在邊緣計算和部分云計算場景中應(yīng)用。邊緣計算可應(yīng)用的場景包括邊緣數(shù)據(jù)存儲、邊緣 AI 等，具體形態(tài)可以是邊緣盒子或者邊緣服務(wù)器、邊緣一體機(jī)等。云計算場景包括離線大數(shù)據(jù)分析、HPC，或者像一些冷數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用可能會進(jìn)行一些試點。而且近兩年 RISC-V 服務(wù)器的虛擬化能力有望增強(qiáng)，可能會出現(xiàn) RISC-V 指令集的云主機(jī)。

全球開源技術(shù)峰會（Global Open-source Technology Conference），簡稱 GOTC，是由開放原子開源基金會、上海浦東軟件園、Linux 基金會亞太區(qū)和開源中國聯(lián)合發(fā)起的，面向全球開發(fā)者的一場盛大開源技術(shù)盛宴。5 月 27 日至 28 日，GOTC 2023 將于上海舉辦為期 2 天的開源行業(yè)盛會。大會將以行業(yè)展覽、主題發(fā)言、專題論壇、開源市集的形式展現(xiàn)，與會者將一起探討元宇宙、3D 與游戲、eBPF、Web3.0、區(qū)塊鏈等熱門技術(shù)主題，以及開源社區(qū)、AIGC、汽車軟件、AI 編程、開源教育培訓(xùn)、云原生等熱門話題，探討開源未來，助力開源發(fā)展。