RISC-V迈入HPC市场，性能与生态缺一不可

电子发烧友网报道（文/周凯扬）近年来，RISC-V已经成了业界不可忽视的成功ISA之一，出货核心数超过百亿颗，但这百亿核心中大部分用在了低功耗IoT等应用上。随着高性能计算已经进入Exascale时代，后发的RISC-V是否有机会在HPC市场占据一席之地，是不少厂商和开发者都在琢磨的问题。
 
其实从去年开始，RISC-V就已经在往这个方向发力了，各种高性能RISC-V处理器的横空出世，终结了RISC-V只能做中低端的论点。RISC-V国际基金会也在去年将HPC标记为RISC-V发展的战略优先领域之一。倪光南院士在上周举办的玄铁RISC-V生态大会上，也强调了发展基于RISC-V架构的DSA新型服务器是中国的一大机遇。既然如此，市面上已有的高性能RISC-V处理器究竟表现如何，又是否已经建立起相关的生态呢？
 
SiFive
 
作为RISC-V IP生态的中坚力量之一，SiFive已经推出了一系列RISC-V IP产品，包括主打高性能的Performance系列、主打AI算力的Intelligence、面向汽车市场的Automotive系列和面向低功耗IoT应用的Essential。
 
P670作为SiFive Performance系列的主打产品，采用了四发射13级流水线的设计，相较上一代P550，有了50%以上的性能提升。即便是相比Arm的Cortex-A78，依然有着明显的PPA优势。P670的SpecINT2K6/GHz跑分在12以上，已经可以满足部分商用服务器的性能要求。
 
以算能的SG2380为例，这是一款2.5GHz 16核 RISC-V处理器，也是计划于今年出货的高性能大模型加速器。算能宣称这是RISC-V在LLM应用架构设计上的全新尝试，旨在为移动终端提供最强的大模型性能，支持Llama、StableDiffusion等语言、视觉类大模型支持。SG2380采用了RISC-V CPU+TPU的设计，而CPU部分正是基于SiFive P670打造，TPU则是基于SiFive的X280打造。
 
为了追求更高的性能，为数据中心提供更高的通用算力支持，SiFive于去年发布Performance的下一代旗舰产品P870。P870采用了6-wide、4发射、最多配置16核的设计，SpecINT2K6/GHz跑分高达18以上。SiFive表示P870非常适合用于消费级应用，或是搭配Vector处理器用于数据中心。
 
为支持下一代高性能应用，SiFive也已经围绕其RISC-V打造了一系列解决方案，比如Hypervision拓展和系统级的虚拟化IP，WorldGuard系统安全保护等，都能进一步加快RISC-V在HPC和数据中心等应用上的部署。
 
除此之外，SiFive也已经在规划下一代高性能核心，Napa。不过SiFive目前尚未透露更多关于Napa的情报，可以预想Napa会支持更多的核心数量，采用更先进的工艺，并提供更高的性能。
 
平头哥
 
平头哥的C910在2020年面世之际可谓是当时为数不多的RISC-V处理器中，性能最靠前的产品。这个在当时就采用了12级流水线设计的处理器，在台积电12nm的工艺支持下，跑分达到了6 DIMPS/MHz和7 Coremark/MHz，已经可以超越Arm Cortex-A73，更是超越了当时市面上其他乱序RISC-V处理器。
 
今年，法国云服务厂商Scaleway推出了基于平头哥曳影1520 SoC打造的云服务器实例，这也是首个登录公开商用云服务平台的RISC-V产品，而曳影1520 SoC的CPU部分正是基于四核玄铁C910的设计。除了云实例之外，全球首款RISC-V笔记本电脑ROMA，也是基于曳影1520 SoC打造，足以说明C910在通用计算性能上的优秀。
 
去年11月，平头哥进一步发布了C920这个加强AI计算的9系列玄铁处理器，维持了12级流水线的设计，但增加了可选配的乱序Vector运算单元，支持最新的Vector 1.0扩展。得益于新的运算单元，C920主要应用于有高并发算力需求的人工智能、自动驾驶和网络通信等领域。
 
算能科技也基于玄铁C920打造了SG2042，作为全球首个商用量产的64核RISC-V CPU，SG2042还支持双路CPU互联，典型功耗却只有120W。且在PLCT的支持下，SG2042目前已经适配了Ubuntu、Arch Linux、openEuler、Deepin等多款操作系统，Firefox 和 LibreOffice 等常用办公软件也能成功运行。
 
今年的玄铁RISC-V生态大会上，达摩院院长张建锋透露C930也将在年内发布，玄铁C930兼容RVA24 Profile，SpecINT2006最高跑分可达15/GHz，令人期待未来会有哪些产品基于玄铁C930打造，以及阿里云是否会开始基于RISC-V硬件提供云实例。
 
Tenstorrent
 
Tenstorrent作为业界炙手可热的初创企业之一，已然成为绝大多数RISC-V会议的常客了，基于同一设计，Tenstorrent于短短一年的时间内，发布了五款RISC-V乱序处理器IP，其中Alastor和Ascalon是他们的高性能RISC-V处理器产品，前者针对客户和边缘端市场，后者针对服务器、笔记本和HPC市场。
 
Tenstorrent的RISC-V处理器IP的高性能设计，主要体现在指令集解码器的宽度。要知道目前的主流x86处理器架构设计，一般不会超过six-wide，比如AMD的Zen 4为4-wide，而英特尔的Golden Cove为6-wide，上面提到的P870也只是6-wide。
 
而Alastor采用了6-wide指令集解码器宽度的设计，Ascalon更是做到了6-wide指令集解码器宽度。这自然也离不开Tenstorrent的“苹果背景”，毕竟无论是现任CEO，被誉为硅仙人的Jim Keller，还是Tenstorrent的首席CPU架构师Wei-Han Lien，都是苹果宽CPU微架构背后的功臣，苹果M1、A14等芯片的CPU均采用了8-wide的设计。
 
Ascalon集成了六个ALU、两个FPU和两个Vector单元，规格相当高，所以主要用于高端服务器、数据中心、科学计算、大规模虚拟化以及实时数据分析之类的商业高性能计算应用。从去年Tenstorrent给出的SpecINT2017/GHz成绩来看（Alastor 1.9，Ascalon 2.2），Ascalon 跑分甚至超过了市面上所有主流服务器CPU核心，仅次于预测的AMD Zen 5跑分。
 
除了高性能计算通用核心外，Tensorrent打造了专用于神经网络推理和训练的专用核心，Tensix。Tensix支持主流数据精度，比如BF4、BF8、INT8、FP16甚至是FP64。相较只提供IP和Chiplet解决方案的RISC-V IP，Tensorrent将提供为Tensix提供IP、Chiplet、芯片、板卡、系统到云的一整套方案。不过将于今年推出的Grendel，将采用CPU+ML Chiplet的设计方案，届时应该会打通Tensorrent现有的RISC-V CPU和AI IP方案。
 
除了已经开放购买的一些开发板、扩展卡产品外，Jim Keller也在不遗余力地为Tenstorrent寻找生态链伙伴，无论是三星、台积电这样的晶圆代工厂，还是Silicon Box 这样的Chiplet制造厂商等，都与其达成了合作。
 
写在最后
 
如果单从绝对性能上看，目前RISC-V处理器和主流x86产品还是存在一些差距，但其实随着HPC和AI需求暴涨，在相关的应用开发上，大家已经意识到一味地追求计算性能本身带来的收益越来越少，反而是对架构、指令集等进行优化带来的收益越来越高。而RISC-V架构的灵活可定制性，恰恰给到了弯道超车的机会。
 
不过高性能处理器依然是一个必备的敲门砖，因此RISC-V在HPC领域还有很长的一段路要走。除此之外，如何与现有的HPC供应链和开发生态达成协作，是RISC-V必须考虑的一件事，比如如何与服务器OEM合作，按照OCP项目的标准打造通用的服务器解决方案；又或是如何把尽快将众多关键HPC库和工具移植到RISC-V的硬件平台之上。