GPU，RISC-V的长痛

无论是人工智能、高性能计算，还是汽车或TWS，我们已经在各种产品形态中看到了RISC-V的身影。然而，有一种产品却成了RISC-V长久以来的痛，那就是GPU。固然，RISC-V在某些方面已经有了不逊色与ARM的计算能力表现，但在图形处理上还是没能匹敌ARM多年来的积累。但境况似乎正在慢慢好转，近年来RISC-V的GPU生态也已经开始发力了。
 
已有GPU生态的支持
 
去年1月，赛昉科技发布了可运行Linux操作系统的星光RISC-V单板计算机，搭载了赛昉的惊鸿7100 RISC-V视觉处理芯片。为了添加更加强大的图形性能，赛昉授权采用Imagination的B系列GPU IP，并计划在该单板计算机的后续量产版本中使用Imagination的BXE-4-32。

IMG B系列GPU IP / Imagination

 
同样用到Imagination B系列GPU的还有晶心，今年1月，晶心科技宣布已经完成IMG BXE-2-32 GPU与其AX45 RISC-V GPU的联合验证工作，在FPGA上使用Linux系统完成了渲染大量图形的工作负载和基准测试。而此前RIOS Labs的RISC-V微型计算机PicoRio也宣布与Imagination达成合作，宣称计划在PicoRio 2.0版本中引入Imagination的PowerVR GE7800 XE系列GPU。
 
Imagination的GPU具备与多种处理器架构协同工作的潜质，其B系列更是可以达到最高6TFLOPS的算力，对于视觉计算优异但3D图形处理仍然偏科的RISC-V来说，可以说是一个很好的辅助，尤其是对于图形性能有一定要求的消费类设备。
 
尽管这种异构的设计已经见怪不怪了，但归根结底这并非基于RISC-V架构的GPU，而ARM在GPU上的崛起，靠得正是Mali和Adreno之类的ARM架构GPU，RISC-V要想在架构之战站稳脚跟，也必须得打造基于自身架构的GPU。不过Imagination已经开始在做Catapult系列RISC-V CPU，有朝一日把RISC-V引入其GPU设计中也说不准。
 
RISC-V架构下的3D GPU
 
Think Silicon是一家罕见的来自希腊的IP公司，早在2007年就已成立，主要致力于小型超低功耗的2D/3D GPU核心，用于移动和可穿戴设备。然而在希腊的企业环境下，半导体初创企业难以找到资本投入，导致公司十余年来没有盈利，直到近几年才有所好转。2020年，这家公司被半导体设备厂商应用材料公司给收购，成为其全资子公司。2021年3月，这家公司推出了业界首个基于RISC-V的3D GPU NEOX。

NEOX架构图 / Think Silicon

 
NEOX是一个并行多核多线程的GPU架构，基于RISC-V的RV64C指令集与自适应NoC。NEOX可内置1到16个簇元素，集成4到64颗核心，每个簇都可以配置缓存大小和线程数。取决于簇/核心数量的配置，NEOX GPU的算力在12.8到409.6GFLOPS(800MHz)之间,支持FP16和FP32的浮点精度。

NEOX不同配置下的算力 / Think Silicon

 
Think Silicon提供NEOX的SDK、系统Verilog RTL、集成测试、LLVM C/C++编译器、GCC C/C++编译器。目前NEOX 支持开放图形框架，比如OpenGL ES和Vulkan。其次NEOX也有很强的定制性，支持计算机视觉、AI计算与用户自定义的扩展。
 
不过目前NEOX对系统的支持还很有限，仅支持Linux、RTOS和WearOS，要想作为消费级的GPU的话，没有Windows和安卓这两大平台的支持的话，也是很难做起来的。但考虑到Think Silicon的老本行就是主要做IoT设备、可穿戴和小屏嵌入式设备，在系统支持和算力上其实也无需多高的要求。
 
根据Think Silicon的说法，他们将NEOX视为一种灵活可扩展的GPU方案，支持在资源有限的设备上快速部署AI、机器学习和GPGPU应用程序，并以超低功耗的优势显著延长电池寿命。
 
该芯片的产品开发总监Iakovos Stamoulis博士也是从业20余年的半导体老将了，20年前还在Advanced Rendering Technology工作期间，他就联合开发首个光追图形引擎芯片AR350。在这样的大佬带领下，Think Silicon或许有机会更进一步，把RISC-V GPU往光追这样的先进图形技术上发展。
 
开源GPU生态
 
RISC-V作为一个开源指令集，自然也少不了开源的RISC-V GPU。同样在去年，一个RISC-V开发小组发布了一个项目，名为RV64X，其目的就是为了补全RISC-V的3D图形与多媒体处理指令集，将GPU集成在RISC-V处理器上。RV64X小组的成员来自于各大参与RISC-V标准制定与开发的公司，包括Pixilica、高云半导体和西部数据。

RV64X的扩展性 / Pixilica

 
首个RV64X的原型GPU设计主要面向MCU，且将仅限于支持Vulkan图形API，但他们承诺未来也会增加对OpenGL乃至Direct X的支持。RV64X的另一大特殊之处在于它将作为一个CPU-GPU混合的ISA迭代，这样在完成通用计算任务的同时也能完成图形计算任务。此外，RV64X采用了单内存模型的设计，消除了处理3D API运算时，GPU内存与CPU之间的额外调用。
 
根据Pixilica CEO Atif Zafar的回复，RV64X小组已经被RISC-V国际基金会认可为图形工作组，他们也已经准备好了初期的规范以供审核，后续会整合到RISC-V规范中。但新扩展的推出往往需要一段时间，所以在此之前都不会有任何代码或RTL公布。

Vortex开发路线图 / Georgia Tech

 
再者就是去年因为开发CUDA移植而火了一把的Vortex GPU，Vortex是一个低成本的RISC-V GPGPU加速器方案，利用了现有的ISA和软件栈，当下的FPGA就能满足其资源要求，比如英特尔的Arria 10和Stratix 10等等。不过目前的软件栈暂时仅支持OpenCL 1.1 API，除了正在开展移植工作的CUDA外，Vortex还计划支持Vulkan、OpenVision和Tensorflow等，并移植到Xilinx的FPGA上。
 
结语
 
从以上进展来看，RISC-V的GPU生态发展还在初期，但无论是RISC-V公司、老牌GPU企业和开源社区都开了个好头，未来相信会有更多玩家的加入。国内近年来也涌现了不少优秀的GPU公司，或许他们也会就着这个势头跟进。