64位RISC-V CPU发展现状和未来前景

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）2020年，ARM公司宣布，其所有“大型” CPU内核将仅采用64位。同时，ARM公司在ARMv9指令集方面做出实际行动，2021年上市的ARMv9的第一代产品，包括Cortex-X2、A710等CPU，全部放弃32位，转向64位架构。
 
此情此景，我们禁不住将目光投向扬言“ARM架构要小心了”的RISC-V架构，ARM这波“梭哈”RISC-V跟了吗？
 
64位RISC-V CPU发展情况

实际上，目前RISC-V已经开始64位CPU的研发，也已经有相关内核和产品面市，比如平头哥64位RISC-V C906。
 
既然RISC-V已经跟进了这波趋势，那么我们就需要知道为什么ARM如此坚决地转向64位，而RISC-V又为何要跟进呢？从理论上讲，面对当前日益爆发的大数据，64位字长的CPU单次能够处理的字节数更多，配合上高效的软件系统，能够在有效的时间内处理更大规模的数据。此外，从设备终端的效果来看，64位CPU被证明处理的效率更高，有更快的运行速度，同时系统时延更低。
 
从32位到64位，相同字长产品在不同代际之间的性能提升也更为明显。以ARM Cortex-X3为例，作为一款64位的超大核，与上代安卓旗舰相比性能提升25%，与笔记本电脑性能相比提升34%。
 
分析人士认为，32位处理器架构和产品的边际已现，在应对人工智能、机器学习和4K高清显示等方面尤其如此，这个移动端曾经的主流字长数已经英雄迟暮，性能改进空间与日俱减。
 
在64位RISC-V产品方面，平头哥的C906和C910是比较有代表性的产品。2021云栖大会上，平头哥开源了玄铁RISC-V系列处理器，包括E902、E906、C906、C910。2022年4月份，根据全球权威AI基准测试MLPerf发布的最新榜单，在聚焦低功耗、高能效的IoT领域Tiny v0.7榜单中，基于平头哥玄铁RISC-V C906处理器的软硬件联合优化方案，取得了全部4个指标的第一，包含视觉唤醒、图像分类、语音唤醒及异常监测4个典型AI任务。值得注意的是，参与这项评选的也有ARM架构核心，以及其他自研的核心。
 
玄铁910是平头哥于2019年7月发布的核心，支持16核，主频为2.5GHz，在发布之初，玄铁910拥有两大创新，分别为3发射8执行的复杂乱序执行架构和扩展了50多条指令，可用于设计制造高性能端上芯片，应用于5G、人工智能以及自动驾驶等领域。
 
在核心层面，我们看到晶心科技也推出了多款64位RISC-V内核，包括AX45MP、NX45、AX27L2等。AX45MP为超纯量多核64位RISC-V内核，相较于前一版本，增加高达3倍的内存带宽，并且它的浮点运算性能提升超过20%的Whetstone benchmark分数，L1 cache miss而Level-2 Cache hit的延迟也降低了一半，具有用于基于 Linux 的应用程序的 MMU、用于高效分支执行的分支预测、1 级指令/数据缓存和用于低延迟访问的本地存储器，应用市场包括高性能应用处理器、机器/深度学习加速、大型网络控制器、ADAS/V2X/IVI等。
 
根据相关报道，晶心科技是首家将RISC-V兼容性纳入并迈向64位处理器的主流CPU IP公司，于2017年第四季推出AndesCore™ NX25。
 
从产品定义来看，64位RISC-V内核的主要对应产品是高端MCU/MPU，以及高性能运算市场。根据相关统计，SiFive、阿里平头哥、晶心科技、芯来科技和中科院计算所都发布了高性能64位RISC-V CPU 。
 
瑞萨电子 3 月份发布了基于64位RISC-V CPU内核的RZ/Five通用微处理器（MPU）——RZ/Five采用Andes AX45MP。瑞萨电子在产品介绍中表示，社会对太阳能逆变器或家庭安全系统网关等物联网终端设备的需求正在增加，以收集传感器数据并连接至服务器或云。RZ/Five针对这一需求进行了优化，可提供物联网终端设备所需的性能和外围功能。在软件方面，RZ/Five通过工业级CIP Linux提供长期Linux支持。
 
综合而言，RISC-V未来更大的增长机会在64位，所面向的是人机交互、智能座舱、高精度电机控制、人工智能和机器学习等前沿市场，这些市场的未来成长性都更高。
 
64位RISC-V CPU的未来

从当前的市场情况来看，不像ARM架构是从32位逐渐转向64位，RISC-V架构是同时从32位和64位发力，遇到的挑战也是相同的。
 
我们看ARM架构转向64位的过程，随着安卓内核成功移植到64位ARM核心产品上之后，相关的应用程序和程序库等已经同时全面支持32位和64位ARM架构产品，骁龙8 gen1与天玑9000这些旗舰级芯片都已经采用Cortex-X2超大核、Cortex-A710大核和Cortex-A510小核的CPU架构方案。而苹果自A7开始就玩转64位ARM架构，iOS等操作系统对此已经完美支持。
 
此外，早在2020年就有报道称，有部分企业推出了基于ARM平台的Windows平板或者笔记本。而后微软通过开发者博客宣布，已通过Windows内部开发频道推出了第一个可用于ARM64设备的x64仿真的预览版Build 21277，这意味着使用ARM芯片的笔记本用户可以从Windows商店或其他渠道安装x64程序。
 
由于ARM架构在移动和嵌入式市场超高的市占比，加上其多年经营的生态系统，在软件层面得到了较为充分的支持。
 
而对于RISC-V而言，64位RISC-V CPU内核和相关产品的出现填补了 RISC-V 在高性能计算应用领域的空白，后续需要继续丰富核心的种类，以及提升核心的性能。同时，RISC-V在人才、软件及应用生态等方面的短板还是真实存在的，在编译器、调试器、OS、基础库等基础方面都和ARM架构有较大的差距，并且尚未形成具有代表性的大规模商用案例。
 
此前，在爱普特微电子在发布64位高可靠通用MCU——APT32F706 MCU时，爱普特微电子董事兼副总经理袁永生表示，现阶段MCU基本都是基于ARM架构的产品，用RISC-V做MCU面临平台移植和软件生态难题，无论是工程师，还是终端客户，从ARM转到RISC-V都需要付出巨大的学习成本。
 
积极的信号是，作为后发架构，RISC-V能够走很多捷径，且开放开源的特性得到全球开发者的认可，并拥有豪华的会员单位成员，这些都让RISC-V相较于ARM跑的更快，彼此的差距在缩小。