Arm前景动荡，RISC-V能否承此重任？

电子发烧友报道（文/周凯扬）

近日有不少报道声称英伟达对Arm的独家收购谈判已经进入最后阶段，相关人士称此项交易最快将在今年夏末之前完成。作为每年向市场输送亿万级别芯片的架构，此番消息让大家开始担忧起Arm的立场，其开源竞争对手RISC-V又开始浮现在人们眼前。
 
作为移动处理器市场的霸主，Arm可谓是目前主流的RISC架构，英特尔虽然在PC端以CISC架构取胜，但随着苹果将Mac产品线转为Arm处理器，英特尔即将损失PC市场的第二大客户。那么作为同样反抗CISC的RISC阵营中的一员，RISC-V究竟与没有能耐与Arm角逐呢？我们不妨来看下这一架构在几家头部厂商中有何成果。
 
平头哥

玄铁910架构图 / 平头哥

 
平头哥作为阿里巴巴集团旗下的半导体公司，由中天微与达摩院团队整合而成。去年7月25日，平头哥公布了成立后首款研发成果，基于RISC-V架构的处理器IP核玄铁910。
玄铁910是一款搭载AI向量加速引擎的64位16核处理器，指令集选用了RISC-V的RV64GC，并采用12级超标量流水线。

CoreMark分数对比 / 平头哥

在性能测试中，玄铁910达到了7.1 CoreMark/MHz，是目前已知RISC-V处理器的最高水准。每个核都支持32-64KB的L1数据与指令缓存，L2缓存最高可达8MB，且所有簇共享，与Arm的big.LITTLE架构类似。除此之外，该IP核还兼容RVV 0.7.1版本的向量扩展，平头哥称该IP核开始设计时尚处于早期RVV版本，未来会跟进1.0版本。

玄铁910与Cortex的性能对比（EEMBC上，NBench下）

 
平头哥这款玄铁910旨在与Arm的Cortex-A73对标，在与麒麟970中的Cortex-A73核心进行实验比对时，可以看出玄铁910在许多方面都胜过Cortex-A73一筹。但这并不代表着玄铁910已经如Cortex-A73般完善，作为刚公布的RISC-V IP核，平头哥声称还要进行多年的开放式协作才能覆盖一些额外的边角案例。

RISC-V玄铁处理器 / 电子发烧友网摄

 
此外，平头哥同样在去年宣布开源低功耗的MCU设计平台，并搭载RISC-V 32位的玄铁902，未来平头哥还将推出玄铁903，907和908等一系列RISC-V IP核。目前玄铁910已在蚂蚁金融的蚂蚁链一体机FPGA中实现，频率达200MHz。今年7月，采用28nm HPC+工艺的玄铁910 CPU已经可达1.6GHz的频率。今年九月，平头哥将推出采用台积电12nm FinFET工艺的CPU，可将频率增至2.0GHz以上。上月底，全志宣布与平头哥达成了全面合作，旨在打造AP级别的RISC-V产品，基于玄铁902和906开发通用算力芯片，预计2021年推出第一颗RISC-V SoC。
 
SiFive
 
SiFive由RISC-V的创始人成立，也是首家做出RISC-V芯片的公司。今年8月11日表示，SiFive已从SK海力士与沙特阿美在内的投资者筹集了6000万美元的资金，现有投资者英特尔、高通和西部数据也加入了这轮融资。

SiFive产品规划 / SiFive

 
除了2、3和5系列的单发射处理器核心外，SiFive同样推出了7系列的双发射处理器以及去年10月公布的8系列超标量处理器。这其中又分为用于MCU、边缘计算、IoT的E系列32位处理器，用于存储、AR/VR、机器学习的S系列，以及用于数据中心、网络基带的U系列。

U84架构图 / SiFive

 
U8系列是目前SiFive产品中性能最高的RISC-V处理器系列，专门用于对性能和延时敏感的市场应用，比如汽车、数据中心与深度学习的SoC。该系列目前包含优化了功耗和面积效率的U84以及附加矢量处理的U87 IP核。除此之外，U8系列将使用全新的7nm工艺，性能是28nm工艺U54的5.3-7.2倍。

U84性能 / SiFive

一个四核2MB L2缓存的U84 CPU，在7nm的制程下只需2.63mm2的面积就可以达到2.6GHz的频率。SiFive将U84标准核与Arm的Cortex-A72进行了比较，并实现了后者两倍的面积效率和1.5倍的性能。
 
芯来

芯来RISC-V IP产品路线图 / 芯来

 
芯来科技是中国大陆首家专业的RISC-V IP公司，同时也是RISC-V基金会的银会员。芯来科技为自研的RISC-V IP产品规划了明确的路线图。其中N100系列满足传统的8/16位内核升级需求，面向IoT等超低功耗场景；N200系列专为低功耗和嵌入式场景设计，用于替代8051和Arm Cortex-M内核；N300系列则针对能效比，对标Arm-Cortex M4等内核，适用于IoT和工业控制；面对对性能要求更高的Linux、边缘计算和数据中心等场景，芯来也推出了600和规划中的900系列，以及NX和UX等更高级别的多核64位架构。

UX600 系列系统框图 / 芯来科技

今年5月末，芯来科技发布了UX600系列64位高性能RISC-V处理器，对标Arm的Cortex-A7、A9和A35。该处理器采用了6级的流水线架构，指令缓存和数据缓存的大小可配，并具有ECC保护功能。与此同时，芯来科技已经完成Linux在UX600处理器上的移植和驱动开发。

GD32VF103系列通用MCU / 兆易创新

芯来科技与兆易创新合作研发了GD32VF103系列RISC-V通用MCU，其中的Bumblebee内核就是由由芯来科技定制及授权的，适用于物联网等超低功耗场景。在108MHz的同样频率，下其性能比Arm Cortex-M3提升15%，最大动态电流降低50%，待机电流降低25%。

N22处理器架构图 / 晶心科技

 
芯来还为台湾晶心科技开发了基于N200系列架构的N22处理器，该处理器支持晶心自己的RISC-V V5/V5e延伸指令集，并达到了3.93 CoreMark/MHz的处理器性能，频率高达800MHz。
 
小结
 
作为开源架构，RISC-V并不用担心授权费的问题，开发社区也更加开放。而出于对贸易限制的担忧，维持技术中立性，RISC-V基金会也将总部从美国迁往中立国瑞士，因此供应商也不用担心贸易封锁和禁令的限制。
 
尽管如此，RISC-V的开发仍处于早期阶段，并不是一个完善稳定的指令集架构，因为目前RISC-V的HDL软核和软件工具尚未成熟。而RISC-V处理器的性能也还未达到足以与Arm高端产品竞争的水准，哪怕是目前性能最佳的RISC-V 处理器IP核也只是与Arm Cortex A73对标，更不用说目前的的旗舰核心Arm Cortex A77，以及再度提升20%性能的下一代A78了。
 
但竞争和压力都是处理器市场的常态，哪怕面对开源的RISC市场，RISC-V也有着SPARC、Power和SuperH的竞争。但同样的场景也发生在上世纪80年代的8位CPU市场，当时每家厂商都想要推行自己的架构和芯片，其中两大角逐者就是Zilog的Z80和MOS的6502，但此时一家叫做Intel的新秀开始崛起，最终占据了桌面CPU市场。RISC-V也身处同样竞争激烈却更加开放的处境，诸多厂商更愿意助推下一个有价值的市场，这也是高通乃至英特尔自己也投资RISC-V架构的原因。

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