透過第二代“香山”看RISC-V開源處理器的機遇和挑戰

電子發燒友網報道（文/吳子鵬）近日，在2023年中關村論壇“RISC-V開源處理器芯片生態發展論壇”上，第二代“香山”（南湖架構）開源高性能RISC-V處理器核和“傲來”RISC-V原生操作系統作為中國科學院“先導”項目成果發布。

根據中科院計算所副所長包云崗介紹，第二代“香山”開源高性能RISC-V處理器核，于2022年9月研制完畢，計劃2023年6月流片。性能超過2018年Arm公司發布的 Cortex-A76內核。

高性能的開源RISC-V內核

RISC-V 起源于加州大學伯克利分校，發展至今已經有了長足的進步。去年7月，RISC-V International首席執行官Calista Redmond就曾表示，RISC-V架構芯片出貨量已突破百億顆，僅用12年就走完了傳統架構30年的發展歷程。

從運作模式來看，雖然RISC-V指令集主打開源開放，不過到了內核層面開始出現差異。部分公司選擇商業化運營RISC-V內核，這些公司的內核產品是需要商業授權才能夠使用的，比如SiFive、芯來科技、賽昉科技等公司都是如此。同時，也有一些公司自己開發RISC-V內核，然后將這些內核用作自己公司處理器的協處理器，這也是一種商業化的模式。

而包括中科院計算所在內的一些機構和公司，則是選擇以開源的方式打造RISC-V內核。另外，西部數據的SweRV項目也是一個具有代表性的開源RISC-V內核研發項目。

據介紹，作為開源RISC-V處理器內核，第二代“香山”處理器內核基于Chisel硬件設計語言實現，支持RV64GC指令集。其內核架構“南湖” 采用中芯國際14nm工藝制造，目標頻率是2GHz，SPECCPU分值達到10分/ GHz，支持雙通道DDR內存以及PCIe、USB、HDMI等更多功能。

“傲來”RISC-V原生操作系統集成了中科院軟件研究所的最新科研成果，相關核心關鍵技術已輻射至RISC-V開源社區與互聯網企業，幫助社區和企業解決RISC-V操作系統的諸多痛點問題。

從產品性能來看，第二代“香山”處理器內核已經媲美目前SiFive等公司的前沿產品，這些產品主要對標的ARM內核就是Cortex-A76內核，因此已經進入RISC-V內核發展的第一梯隊。包云崗指出，“香山”作為國際上最受關注的開源硬件項目之一，已在全球最大的開源項目托管平臺GitHub上獲得超過3580個星標，形成超過449個分支（Fork）。

開源RISC-V內核的進擊之路

對于RISC-V而言，打造一個開源內核生態是其能夠發展壯大的重要一步。正如中國工程院院士、中國科學院計算技術研究所學術委員會主任孫凝暉所言，智能物聯網時代，開源處理器芯片及軟硬件生態是戰略新高地。

目前，在開源RISC-V內核方面，基本可以分為四個大方向，分別是以Rocket為代表的標量處理器，以BOOM為代表的超標量亂序執行處理器，以ORCA為代表的嵌入式應用處理器，以SHAKTI為代表的處理器家族。當然，這些基本是以國外團隊的項目來劃分的，不過確實也代表了開源RISC-V內核的主流方向。

Rocket是UCB設計的一款64位、5級流水線、單發射順序執行處理器，主要特點有支持MMU，支持分頁虛擬內存，支持移植Linux操作系統，兼容IEEE 754-2008標準的FPU，以及具有分支預測功能等。這款開源處理器在面積、功耗和性能方面相對均衡，對標Cortex-A72內核。

BOOM是UCB設計的一款64位超標量、亂序執行處理器，相較于Rocket，其性能水平更高，支持RV64G。這款處理器具有高度可配置特性，可配置參數包括取指、譯碼、提交、指令發射的寬度，有序發射還是無序發射等。其相較于ARM Cortex-A9內核，在性能占優的情況下，面積更小、功耗更低。

SHAKTI是印度理工學院開發的一個開源處理器內核家族，包括32位標量處理器E-Class，32位或者64位標量處理器C-Class，64位、1-8核亂序執行處理器I-Class等。這個項目的目的是讓開源RISC-V內核能夠適用于各種不同的應用方向。

最后，PicoRV32是由VectorBlox公司設計的一款32位標量處理器，目標是應用于嵌入式領域。

過往大部分業者都認為開源RISC-V處理器內核只適用于科研和教學，但是現在已經有公司選擇基于開源RISC-V處理器內核打造商業化產品。包云崗介紹稱，已有一批企業正在基于“香山”開發高端芯片，如AI芯片、服務器芯片、GPU等，有望于2025年取得集體突破。

為什么在已有的開源RISC-V處理器內核之外，中科院還要布局自己的項目呢？目標是爭奪開源RISC-V內核發展的主線權。包云崗曾在去年的分享中表示，“要建立一個像Linux那樣的開源RISC-V核主線，既能被工業界廣泛應用，又能支持學術界試驗創新想法。最關鍵的是，一定要讓它像Linux那樣至少存活30年！”

因此，在第二代“香山”處理器內核之后，第三代“香山”處理器內核也在積極部署，新一代的內核是基于昆明湖架構搭載，對標ARM N2，為數據中心和算力設施等領域提供高性能 CPU IP核。

開源RISC-V的挑戰

不過，開源RISC-V內核的發展面臨著巨大的挑戰，比商業內核的挑戰甚至更大。

首先是從內核本身來看。開源RISC-V內核為了保持對于多數行業的普適性，因此往往會有條件碼（condition code）和分支延遲槽（branch delay slot），這會讓真正使用內核的人需要面對更高的復雜性。

其次是開源RISC-V內核面臨著開源驗證工具的缺失，英特爾首席軟件工程師Mike Chin曾在使用RISC-V過程中專門指出了這個問題。從理論上講，開源芯片設計肯定是可行的，但是缺少開源驗證工具，最終出來的芯片很難商業化。

第三點是隨著芯片的性能提升，軟件框架的作用開始凸顯出來，因此開源RISC-V內核構建的芯片很可能面臨底層架構和中間件缺失的問題，這也讓其很難走出實驗室。

小結

開源RISC-V內核相較于商業RISC-V內核有著更大的愿景，有可能塑造一個全新的芯片生態，而不是像現在一樣更多是在追隨Arm公司的步伐。不過，顛覆性創新的難度是巨大的，開源一詞既是優勢，也是巨大的挑戰。因此，有業者建議，內核開源是沒有問題的，但是在開發芯片過程中一定是有收費項的，讓更多人覺得有利可圖，免費的東西不一定是好的。