作者：Chris Palmer

作為流線型計算機芯片指令集架構，第五代精簡指令集計算機（RISC-V）具有設計簡潔、模塊化、開源和有豐富的軟件生態，現已進入了高速發展階段，不僅可以用于定制處理器，還可以用于定制芯片，應用前景廣闊。

中國工程院院刊《Engineering》2022年第10期刊發《精簡指令集架構加速芯片研發》一文。文章報道了RISC-V的研究及應用進展情況，介紹了RISC-V在推動芯片研發方面的潛力，分析了當前RISC-V與定制機器學習加速技術組合后用于智能芯片研發方面的進展。文章指出，RISC-V的發展前景廣闊，但也面臨一些挑戰，如基于RISC-V的新型軟件編譯器、處理器和計算機設計必須從頭開始建立，這是一項耗時而昂貴的工作；盡管RISC-V已經得到了幾個Linux發行版的支持，如Ubuntu、Debian、FreeBSD、NetBSD和OpenBSD，但還沒能適應其他一些廣泛使用的操作系統。

此前被人們循序漸進采用的流線型計算機芯片指令集架構（ISA）——第五代精簡指令集計算機（RISC-V），現已正式進入高速發展階段。2022年2月初，芯片巨頭英特爾（美國加利福尼亞州圣克拉拉）宣布了對RISC-V生態系統進行大筆投資，這是英特爾所發起的10億美元基金的一部分；該項基金用于支持英特爾與其他芯片初創公司之間的合作。基金的設立不但支持了英特爾發展其代工業務的計劃，還與該公司同時宣布加入RISC-V International組織的舉動相得益彰。該組織總部位于瑞士蘇黎世，負責管理RISC-V（RISC-V是2010年首次引入的免費開放式標準ISA）的內核和新擴展編目。

RISC-V International首席執行官Calista Redmond表示：“英特爾與幾家RISC-V成員的合作，向業界發出了一個巨大的信號，即人們對RISC-V的興趣與采用正與日俱增。認識到RISC-V將是其代工事業成功的一個重要組成部分后，為更得心應手地設計RISC-V解決方案，英特爾正對其大力投資。”

目前，RISC-V市場雖然仍相對較小，但預計將會快速增長。咨詢和分析公司德勤全球（美國紐約市）預測，基于RISC-V的處理內核的市場將在2022年比2021年翻一番，并在2023年再次翻一番。不過，RISC-V的收益增長速度會更加緩慢，從2021年的不到4億美元增加到2023年的近8億美元，再到2024年接近10億美元。

在基本層面上，芯片中的ISA可讓軟件直接控制硬件。現在驅動世界上大多數設備的芯片均使用了兩種成熟的專有ISA。在筆記本電腦、臺式電腦和服務器硬件芯片中，英特爾x86在過去幾十年一直保持著主導地位。但由于其耗電量大，相比之下，大多數智能手機則采用了基于ARM的芯片。現在，美國、歐洲，尤其是亞洲越來越多的公司，均將RISC-V視為對這些根深蒂固標準的一種極具吸引力的替代和補充選項。

RISC-V是多年來創建的眾多基于RISC的ISA之一（包括ARM在內）。2022年3月，有四人因此榮獲了2022年查爾斯·斯塔克·德拉普爾獎（Charles Stark Drape Prize）。將它稱為“精簡指令集計算機”也反映了獲獎者們以及他們眾多合作者的目標，即通過降低核心可執行指令集的復雜性來構建更小、更低功耗但性能更好的處理器。四位獲獎者分別是英國曼徹斯特大學計算機工程教授Stephen B. Furber、美國加利福尼亞州帕洛阿爾托斯坦福大學計算機科學與電子工程教授John L. Hennessy、美國加利福尼亞大學伯克利分校名譽教授David A. Patterson以及英國劍橋大學計算機科學家Sophie M. Wilson。與x86的1000多條指令和ARM的大約500條指令相比，采用了RISC-V的內核只有47條指令，簡直是微不足道。而且，RISC-V還是一種可擴展的ISA，這意味著各公司不但可實現指令集內核，還可通過添加已有定義或自定義的指令來擴展內核，從而創建自己的定制處理器。

此特性讓基于RISC-V的芯片設計易于修改，在應用于廣泛的數字應用（從高性能計算、自動駕駛車輛和物聯網到存儲、圖形、人工智能和機器學習等）時，具有更大的靈活性。RISC-V處理器開發公司Ventana Micro Systems（美國加利福尼亞州庫比蒂諾，英特爾的新合作伙伴）創始人兼首席執行官Balaji Baktha表示：“RISC-V非常先進。由于不受30年累積常識的影響，它成為了一個‘全新’的架構。”

除了提供靈活性外，開放式標準也使RISC-V成為一個有吸引力的選項，特別是對于那些既希望設計定制芯片，又不希望花費數百萬美元許可費來使用專有芯片架構的初創公司而言。這兩個因素讓RISC-V成為了諸如計算存儲巨頭希捷（美國加利福尼亞州庫比蒂諾）、西部數據（美國加利福尼亞州圣何塞）以及電子商務巨頭阿里巴巴（中國杭州）等公司間交口稱譽的芯片架構。

作為一個開放式標準，對于那些可能因出口限制而失去或擔心失去x86或ARM授權的公司而言，RISC-V極具吸引力。因為選擇RISC-V，就可以消除他們所擔心的這個問題。RISC-V International組織三分之一以上的成員是中國公司，其中包括華為（中國深圳）和阿里云，而且多家中國大公司也已宣布打算使用RISC-V芯片。此外，中國在2021年年底就成立了一個專門從事RISC-V處理器項目研究的機構，阿里巴巴宣布將致力于把安卓系統移植到RISC-V，中國的兩家公司DeepComputing和Xcalibyte也已經開始在深圳制造世界上第一臺基于RISC-V的筆記本電腦。

通過加入RISC-V的行列，英特爾旨在幫助以RISC-V開發為重點的公司，包括已宣布的合作伙伴晶心科技（中國臺灣新竹）、Esperanto Technologies（美國加利福尼亞州山景城）、SiFive（美國加利福尼亞州圣馬特奧）和Baktha創辦的Ventana Micro Systems公司，希望通過為他們優先安排生產流程，并與他們合作開發優化設計的制造技術，來更快地進行創新。

英特爾設立10億美元基金的主要目標是實現一種具有成本效益的模塊化設計，將多種類型的處理器內核集成在單個芯片封裝中。這將有助于這家芯片巨頭的新業務英特爾代工服務（Intel Foundry Services）——制造包含多個小芯片裸片的芯片，并定制x86、ARM和RISC-V內核的組合品。Baktha說：“人們總是問英特爾是否將RISC-V視為一種威脅。其實，英特爾的投資就給出了答案：當然不會。通過讓RISC-V與x86基礎設施并駕齊驅，人們才能夠以此前不可能達到的水平來實現更多目標，如數據中心創新。”

人們對RISC-V的興趣很大程度上緣于對人工智能應用的需求。Baktha說，基于邊緣的人工智能直接在筆記本電腦等本地設備上運行相關進程和生成數據，而不是在云中，因此，“計算和人工智能需要集成在一個統一的架構中。RISC-V是實現這一目標的唯一途徑。”半導體咨詢公司Semico Research（美國亞利桑那州鳳凰城）估計，從現在到2027年，基于RISC-V的人工智能片上系統（SoC，由計算機的所有或大部分組件組成的集成電路）將以每年74%的速度增長。此外，Semico還預測用于消費物聯網解決方案的RISC-V人工智能片上系統將在同一時間段內每年增長140%，而面向數據中心服務器等高性能計算機市場的RISC-V人工智能片上系統將以每年98%的速度增長。

在2010年首次發布之時，RISC-V缺乏機器學習數學（包括矩陣乘法）所需的矢量指令。為了克服這一不足，Esperanto Technologies的工程師開發了他們自己的指令，并將其集成到新芯片ET-SoC-1（圖1）中，之后該公司將ET-SoC-1作為第一個高性能RISC-V 人工智能芯片進行銷售。ET-SoC-1是一款專為提高推理運算效率而設計的芯片，旨在人工智能推薦系統（根據人口統計或先前行為等數據向用戶提供相關建議）中與強大的圖形處理單元競爭，主要面向電子商務和社交媒體公司。ET-SoC-1的尺寸是其主要競爭對手英偉達（Nvidia）的A100芯片的一半，并且其功率僅為A100的十分之一。包括三星在內的幾家公司目前正在探索在其設備中使用ET-SoC-1。

其他最近開發出人工智能處理器的公司，也正在將RISC-V和定制的機器學習加速技術進行組合。例如，總部位于美國圣何塞的Ceremorphic公司于2022年1月發布的Hierarchical Learning Processor，就結合了RISC-V和ARM內核及其自己定制的機器學習和浮點運算部件。英特爾即將推出一款名為Mobiley EyeQ Ultra旨在為近乎完全自動駕駛提供智能的芯片，將在一個芯片中集成12個RISC-V內核，并輔以專有的神經網絡加速器，以及一個ARM CPU。同樣轉向采用RISC-V來支持自動駕駛的，還有嵌入式人工智能處理器公司Kneron（美國加利福尼亞州圣地亞哥）。2021年11月，該公司開始批量生產其首個基于新型神經網絡的RISC-V KL530芯片，用于執行圖像分類任務。

2022年6月，已經推出了基于RISC-V的Nios V處理器的英特爾公司宣布與西班牙巴塞羅那超級計算中心（Barcelona Supercomputing Center）合作建設一個4億美元的設施，來專門開發用于高性能計算的RISC-V處理器，以及用于人工智能和自動駕駛汽車的專用芯片。此次合作的一個主要目標是創建比當今最快的超級計算機強大1000倍的zettascale系統，英特爾表示將在未來五年內實現這一里程碑。

雖然RISC-V的前景看起來很好，但在市場能夠完全接受該ISA之前，開發者仍然面臨著一些挑戰。具體而言，某些類型的基于RISC-V的新型軟件編譯器、處理器和計算機設計必須從頭開始建立，這是一項耗時而昂貴的工作。此外，雖然RISC-V得到了幾個Linux發行版的支持，包括Ubuntu、Debian、FreeBSD、NetBSD和OpenBSD，但它還沒能適應其他一些廣泛使用的操作系統。

無論如何，像眾多推廣者一樣，Redmond關注的是RISC-V給計算世界帶來的靈活性。Redmond說：“幾十年來，只有擁有龐大設計團隊和預算的公司才能實現定制硅。RISC-V讓每個領域和行業實現了設計自由，使各種規模的公司都有可能推動創新發展，并有機會參與競爭。”

編輯：黃飛

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