透过第二代“香山”看RISC-V开源处理器的机遇和挑战

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，在2023年中关村论坛“RISC-V开源处理器芯片生态发展论坛”上，第二代“香山”（南湖架构）开源高性能RISC-V处理器核和“傲来”RISC-V原生操作系统作为中国科学院“先导”项目成果发布。

根据中科院计算所副所长包云岗介绍，第二代“香山”开源高性能RISC-V处理器核，于2022年9月研制完毕，计划2023年6月流片。性能超过2018年Arm公司发布的 Cortex-A76内核。
 

高性能的开源RISC-V内核

RISC-V 起源于加州大学伯克利分校，发展至今已经有了长足的进步。去年7月，RISC-V International首席执行官Calista Redmond就曾表示，RISC-V架构芯片出货量已突破百亿颗，仅用12年就走完了传统架构30年的发展历程。
 
从运作模式来看，虽然RISC-V指令集主打开源开放，不过到了内核层面开始出现差异。部分公司选择商业化运营RISC-V内核，这些公司的内核产品是需要商业授权才能够使用的，比如SiFive、芯来科技、赛昉科技等公司都是如此。同时，也有一些公司自己开发RISC-V内核，然后将这些内核用作自己公司处理器的协处理器，这也是一种商业化的模式。
 
而包括中科院计算所在内的一些机构和公司，则是选择以开源的方式打造RISC-V内核。另外，西部数据的SweRV项目也是一个具有代表性的开源RISC-V内核研发项目。
 
据介绍，作为开源RISC-V处理器内核，第二代“香山”处理器内核基于Chisel硬件设计语言实现，支持RV64GC指令集。其内核架构“南湖” 采用中芯国际14nm工艺制造，目标频率是2GHz，SPECCPU分值达到10分/ GHz，支持双通道DDR内存以及PCIe、USB、HDMI等更多功能。
 
“傲来”RISC-V原生操作系统集成了中科院软件研究所的最新科研成果，相关核心关键技术已辐射至RISC-V开源社区与互联网企业，帮助社区和企业解决RISC-V操作系统的诸多痛点问题。
 
从产品性能来看，第二代“香山”处理器内核已经媲美目前SiFive等公司的前沿产品，这些产品主要对标的ARM内核就是Cortex-A76内核，因此已经进入RISC-V内核发展的第一梯队。包云岗指出，“香山”作为国际上最受关注的开源硬件项目之一，已在全球最大的开源项目托管平台GitHub上获得超过3580个星标，形成超过449个分支（Fork）。
 

开源RISC-V内核的进击之路

对于RISC-V而言，打造一个开源内核生态是其能够发展壮大的重要一步。正如中国工程院院士、中国科学院计算技术研究所学术委员会主任孙凝晖所言，智能物联网时代，开源处理器芯片及软硬件生态是战略新高地。
 
目前，在开源RISC-V内核方面，基本可以分为四个大方向，分别是以Rocket为代表的标量处理器，以BOOM为代表的超标量乱序执行处理器，以ORCA为代表的嵌入式应用处理器，以SHAKTI为代表的处理器家族。当然，这些基本是以国外团队的项目来划分的，不过确实也代表了开源RISC-V内核的主流方向。
 
Rocket是UCB设计的一款64位、5级流水线、单发射顺序执行处理器，主要特点有支持MMU，支持分页虚拟内存，支持移植Linux操作系统，兼容IEEE 754-2008标准的FPU，以及具有分支预测功能等。这款开源处理器在面积、功耗和性能方面相对均衡，对标Cortex-A72内核。
 
BOOM是UCB设计的一款64位超标量、乱序执行处理器，相较于Rocket，其性能水平更高，支持RV64G。这款处理器具有高度可配置特性，可配置参数包括取指、译码、提交、指令发射的宽度，有序发射还是无序发射等。其相较于ARM Cortex-A9内核，在性能占优的情况下，面积更小、功耗更低。
 
SHAKTI是印度理工学院开发的一个开源处理器内核家族，包括32位标量处理器E-Class，32位或者64位标量处理器C-Class，64位、1-8核乱序执行处理器I-Class等。这个项目的目的是让开源RISC-V内核能够适用于各种不同的应用方向。
 
最后，PicoRV32是由VectorBlox公司设计的一款32位标量处理器，目标是应用于嵌入式领域。
 
过往大部分业者都认为开源RISC-V处理器内核只适用于科研和教学，但是现在已经有公司选择基于开源RISC-V处理器内核打造商业化产品。包云岗介绍称，已有一批企业正在基于“香山”开发高端芯片，如AI芯片、服务器芯片、GPU等，有望于2025年取得集体突破。
 
为什么在已有的开源RISC-V处理器内核之外，中科院还要布局自己的项目呢？目标是争夺开源RISC-V内核发展的主线权。包云岗曾在去年的分享中表示，“要建立一个像Linux那样的开源RISC-V核主线，既能被工业界广泛应用，又能支持学术界试验创新想法。最关键的是，一定要让它像Linux那样至少存活30年！”
 
因此，在第二代“香山”处理器内核之后，第三代“香山”处理器内核也在积极部署，新一代的内核是基于昆明湖架构搭载，对标ARM N2，为数据中心和算力设施等领域提供高性能 CPU IP核。
 

开源RISC-V的挑战

不过，开源RISC-V内核的发展面临着巨大的挑战，比商业内核的挑战甚至更大。
 
首先是从内核本身来看。开源RISC-V内核为了保持对于多数行业的普适性，因此往往会有条件码（condition code）和分支延迟槽（branch delay slot），这会让真正使用内核的人需要面对更高的复杂性。
 
其次是开源RISC-V内核面临着开源验证工具的缺失，英特尔首席软件工程师Mike Chin曾在使用RISC-V过程中专门指出了这个问题。从理论上讲，开源芯片设计肯定是可行的，但是缺少开源验证工具，最终出来的芯片很难商业化。
 
第三点是随着芯片的性能提升，软件框架的作用开始凸显出来，因此开源RISC-V内核构建的芯片很可能面临底层架构和中间件缺失的问题，这也让其很难走出实验室。
 

小结

开源RISC-V内核相较于商业RISC-V内核有着更大的愿景，有可能塑造一个全新的芯片生态，而不是像现在一样更多是在追随Arm公司的步伐。不过，颠覆性创新的难度是巨大的，开源一词既是优势，也是巨大的挑战。因此，有业者建议，内核开源是没有问题的，但是在开发芯片过程中一定是有收费项的，让更多人觉得有利可图，免费的东西不一定是好的。