2022年11月17日 来源:CSDN 浏览:182 作者: 屠敏

RISC-V 能否超越 x86、Arm,成为下一代计算系统根技术的关键?

根技术,近年来频繁被提及的一个词语,也是当前国产操作系统、数据库等基础软件,以及芯片领域被寄予厚望的一个重点发力方向。构建技术树,只有根深才能叶茂,本固方有枝荣。然而,说起来容易做起来难,基于颇为严峻的“缺芯”困境,我们究竟该如何破局?在主流的 x86 和 Arm 赛道上,RISC-V 能否走出属于自己的第三条道路?

在 2022 长沙·中国 1024 程序员节大会的《算力和芯片的挑战与突破》主题论坛上,我们邀请到了从学术圈走入产业界,在芯片领域耕耘多年,曾任职浙江大学、杭州中天微系统有限公司、阿里巴巴平头哥半导体有限公司,前玄铁处理器核的主要研发负责人,现为进迭时空创始人兼 CEO 的陈志坚博士,剖析当前国产芯片的现状,分享其构建芯片根技术的心路历程,探索以 RISC-V 为核心的中国 CPU 发展路径。

直播回放:https://live.csdn.net/room/csdnlive2/Hed0PPek

以下为陈志坚博士的演讲全文:

陈志坚 进迭时空创始人兼 CEO

根技术是什么?

所谓根技术,顾名思义,就是所有技术的根,其他的技术都是基于这些根技术而逐步生长出来的。以最常用的智能手机为例,我们日常接触到的往往是智能手机的外机,包括界面和 App 软件。在智能手机计算系统里,根技术包括计算芯片、操作系统等。

近几年,根技术开始被众人了解并熟知。以现代信息社会而言,根技术包括:

  • 架构、芯片与计算系统,这是信息技术的硬件之根;
  • 操作系统和软件,这是信息技术的软件之根。

除了硬件和软件之根之外,还有非常重要的芯片制造,它是硬件之根的根。放眼全球芯片制造领域,主流的市场主要被国外的公司所持有,包括三星、英特尔、GlobalFoundries ,而国内主要是中芯国际(SMIC)为代表 。

另外,开源体系打造了牢固且非常重要的根基组织,它是未来主流的孕育技术、产生技术和产生产品的一种方式。过去很多人容易认为开源技术是会被全球所共享的,但如今看来,实际并不然。开源技术从产出途径上来看,确实是全球开发者共建的技术成果。但是,以代码为例,它存放的服务器以及运营这些开源技术的基金会是有地域限制的,而因为地域、政治等因素,开源也存在一定的局限性。

从类别上,智能手机、PC 机、平板电脑、云计算的底座和云服务器都属于计算系统。进一步细分下来,计算系统的根技术主要包括:

  • 指令集,计算芯片操作系统数据库最底层的是指令集;
  • 基于指令集之上的是计算芯片;
  • 操作系统,屏蔽了计算芯片的硬件差异化,留给软件开发的一套接口或标准;
  • 数据库,用于云计算领域的大型软件。

国内市场中,无论是指令集、计算芯片、操作系统,还是数据库,主流的市场一定程度上依然被外企持有。从计算系统的角度来说,指令集是计算系统根技术里面的根。中国是世界上最大的算力消费国,但是却不是世界上的算力生产国。究其原因是指令集目前被国外所把控。

指令系统的演变

纵观计算系统的发展历史,有出现过很多的指令集,比如贝克的 Alpha 架构、后来的英特尔的 x86 架构,再到后来的 Sandy Bridge 架构、 MIPS 架构、 Power 架构等等。不过随着时代的演进,绝大多数的架构都逐步放到了历史的博物馆里。

当今我们接触比较多的是 x86 架构以及 ARM 架构。x86 架构是全封闭的指令架构,被英特尔和 AMD 公司所享有。

ARM 架构是一个半封闭的架构,它采取了跟英特尔不一样的商业模式。英特尔的商业模式是公司持有架构,基于架构开发芯片去卖芯片。而 ARM 架构是公司研发架构,基于架构来开发处理器核,然后把处理器核卖给芯片公司,芯片公司集成处理器核,再卖到客户手里。相比 x86 的商业模式,ARM 的商业模式更有利于帮助它聚集盟友。ARM 架构诞生于上世纪的 80 年代末到 90 年代初,当时的 ARM 架构相比 x86 架构来说,无论是指令集的能力还是性能都远不足 x86 架构,但这并不妨碍 ARM 架构逐步地完善,并完成算力占比的逆袭。现在在全球的算力输出中,ARM 架构已经占到了 80% 以上。

回顾整个指令架构的发展历史,可以总结出两个规律:

第一,指令架构是一个高度马太效应的事物。当一个指令架构有越来越多人用的时候,就意味着其生态壁垒越来越高,能够聚集越来越多的开发者。侧面来看,开发者投入到其他架构上的时间和精力少了,导致其他架构的发展完善度逐渐减弱,直到放弃。

第二个,指令架构的竞争不是技术层面的竞争,更多的是商业模式的竞争。ARM 架构开始不如 x86 架构,它之所以一步一步实现了对 x86 架构的逆袭,根本原因是它在商业模式里采取了更开放的合作方式,它把利润的“小头”放在了自己身上,把更大的芯片的利润交给了芯片公司,这样使得芯片公司愿意去跟 ARM 公司合作。

RISC-V 架构是一个更加开放指令架构。它起源于伯克利 2010 年暑期的计划,2015 年开始以基金会的方式去运营,到 2021 年以基金会运营 6 年的时间已经完成了出货量 100 亿颗的成绩,这是一个非常快的速度。

RISC-V 的崛起

x86 架构是伴随着互联网的时代发展的,而 ARM 架构是伴随着移动互联网的时代发展的,那 RISC-V 架构它的下一个应用在哪里?它的下一个超级可能性在哪里?

个人的观点是智能物联网。在物联网概念被频繁提及的今天,大家仍然对智能物联网的认知很低,容易理解为它是一种算力比较低的设备。

互联网实现了信息的交互和互通,移动互联网实现了人与人之间的信息交互与互通,智能物联网实现的是物和物之间的信息化互联。车作为物的一种,车联网和智能机器人网也隶属于智能物联网的范畴。

三个不同时期设备规模的变化如下图所示。在 PC 机的互联网时代,设备出货量在 1 亿到 2 亿台左右。在移动互联网时代,设备出货量大致提升 10 倍,规模在 10 亿到 20 亿台。而到了智能物联网的时代,设备的出货量会远超百亿台。

再看根技术,每一个时代的根技术也是不一样的。互联网时代的根技术是 x86 架构,它是一个封闭的指令架构,同时搭载在硬件之上的 Windows 是一个封闭的操作系统。到了移动互联网时代,ARM 就演变成了半开放的指令架构,而它的主流操作系统 Android 就是纯开放的操作系统。如今的智能物联网时代,需要一种更为开放的指令架构以及操作系统。

AIoT 时代应用的多样化与 RISC-V 的优点是高度吻合的。RISC-V 的开放性、设计的简洁性以及功耗的优势,都非常符合 AIoT 时代的场景。得益于可定制、可扩展的特质,RISC-V 架构更容易面向 AIoT 细分领域应用去设计出具有针对性和竞争力的核,从而更适配特定场景的应用需求。这正是它跟 ARM 完全不一样的地方。ARM 提供的是标准处理器,为了最大化商业价值,其在设计处理器核时主要面向各种通用领域,不限定具体的场景,而 RISC-V 的可定制化恰恰是它面向 AIoT 时代重要的优势。

目前为止,RISC-V 架构的软件生态还不成熟,如何展望它的未来发展?

首先,我们要对 RISC-V 的发展有包容心和战略耐心。x86 架构和 ARM 架构软件生态的完善度也不是一次生成的。x86 架构是上世纪 70 年代末 80 年代初开始发展的,到现在已经有 40 多年的历史。ARM 架构是上世纪的 80 年代末 90 年代初开始发展的,到现在也有 30 多年的历史。打个比喻,如果说 x86 和 ARM 宛如一个成熟的中年人以及青年人,那么 RISC-V 架构还是个小朋友,从它以基金会的形式运营到现在只有 7 年的时间,但是它成长的加速度远超 x86 和 ARM。

现在 ,RISC-V 除了不支持 Windows、安卓、 iOS 外, Linux 的软件组件基本上是完善的。因此,对于 RISC-V 的长期发展,我们也应该抱有乐观主义。回顾 ARM 的发展历程,它在上世纪 80 年代末推出时仅是一个三级流水线的 DPU,其能力是远远不如当时的 x86。但这并不乏妨碍 ARM 一点一点地发展起来。而 RISC-V 在经营模式上比 ARM 架构更先进、更开放,所以它在加速度上已经体现出了优势。

构建”端-边-云”原生的下一个计算时代

软件开发者基于不同指令架构做开发,会产生与不同指令架构紧耦合的软件代码,其中积累了大量冗余的重复工作。那么,这个世界是不是需要有这么多的 ISA(Instruction Set Architecture,指令集架构),实际上答案是否定的。

以苹果公司为例,苹果公司推出的 PC 机起初基于和摩托罗拉、IBM 一起开发的 Power 架构。后来苹果公司开始转向 x86 的架构。随着 M1、 M2 芯片的推出,苹果公司又转向 ARM 架构。对于苹果公司而言,其之前已经积累了大量的应用软件需要进行迁移,所以他们也开发了二进制转译的技术,包括从 Power 到 x86 转译的 Rosetta 1.0、从 x86 到 ARM 转译的 Rosetta 2.0。软件基于不同的指令架构进行迁移开发,对工程师来说是非常没有意义、没有必要的。

RISC-V 的架构的出现,让云边端原生一体的下一个计算时代成为可能。我对未来云边端时代共用共享 RISC-V 架构持有非常乐观的态度。RISC-V 架构一定会先从边开始发展,然后逐步的进入云计算的领域,最后再回到 PC 机和手机应用。

我对未来的畅想是,所有工程师都是基于 RISC-V 架构去开发代码,它开发的代码可以在不同的芯片之间、不同的应用场景之间进行迁移。这样就把软件工程师的付出、心血、成果能够凝聚在一起,而不是反复在不同的指令架构之间去做搬移、搬运。

中国现在对 CPU 计算的渴求度迫切度非常高,在探索中,中国做 CPU 也走出了三种路径:

  • 基于他人的指令架构做引进、消化、吸收和创新。典型的像海光的 x86 架构、兆芯的 x86 架构和飞腾的 ARM 架构。这种方式最大的优势是可以利用x86 架构和 ARM 架构上已经成长的软件生态。
  • 独立构建技术体系。典型的像国内的龙芯以及田威。它的自主可控性的程度最高,但是软件生态上存在不足。
  • 融入开源架构体系。进迭时空就是采用这个路径。进迭时空看好 RISC-V 并愿意基于 RISC-V 芯片开发未来的计算芯片和计算系统。

这三种模式没有好坏优劣之分,并且在当下的中国都是很需要的,因为它可以面向不同场景,为 CPU 的供给提供不同选择。

从自身来说,进迭时空选择 RISC-V 架构主要有三方面的考量:

第一,全球标准。中国一直是世界上最大的算力消费国,但是从来不是算力生产国。背后的原因之一就是我们没有强大生态的指令架构。RISC-V 的出现让中国开始有机会参与全球算力的竞争,就像通信时代的 5G 标准一样。

第二,全球生态。因为 RISC-V 架构的基金会已经迁移到了瑞士,它正在吸引全世界最优秀的 AP、架构的制定者、爱好者和开发者,围绕着 RISC-V 做架构标准的制定、软件生态的开发,它正在汇聚全球共建能力。

第三,全球能量。像 x86 架构、ARM 架构属于某个公司,生态的发展也与其背后的公司息息相关。这意味着它的能量只能以闭环形式局限于公司内部。以 x86 架构为例,架构迭代主要通过公司内部完成。以 ARM 为例,主要是依靠 ARM 公司以及它的合作伙伴比如苹果、Google 推进发展和演进。这种方式很容易让架构本身的发展跟公司的发展紧密联系在一起,一旦公司发展得不行,架构也就慢慢地消亡。RISC-V 架构则不是,它是全球共建、全球共享,汇聚了世界上最优秀的工程师围绕着它做开发。以 RISC-V 的 vector 架构为例,当 ARM 在 V8 时代,它的计算采用的是 SIMD 的技术。到了 V9 架构时代,它推出了SVE 架构,即它的向量计算架构。RISC-V 一开始在设计计算技术时就采用了 SVE 的架构,所以 RISC-V 架构相比 ARM 架构很大的优势是它站在了前人的肩膀上,前人走过的路、做过的技术方案以及这些技术方案的优势和劣势,它都是可以看见的。

进迭时空看好 RISC-V 的发展,希望基于RISC-V 架构,通过 CPU 核的定制优化设计、芯片开发和基础软件开发,实现这三者深度地整合和优化,提供计算芯片和计算系统。

面向未来的泛边缘计算场景

可以畅想一下未来的计算世界,按照现在的算力进行分层,大致可分成云、边、端三层。未来发展趋势,如下图所示:

第一,云计算的算力下沉。现在的云计算主要是基于中心,中心式的云存在不足,比如计算的成本、计算的延时。它就像物流,开始物流采用中心式的仓储方式,后来物流开始做下沉,下沉到低一级、次一级,这带来的比较大的优势是物流的速度加快了。对计算而言,就是计算的时延变少了、对带宽的占用变少了。所以 2010 年到 2020 年是云计算中心云的 10 年。我推断 2020 年到 2030 年,未来的十年是云计算边缘云、边缘计算的时代,这是一个云计算算力的发展趋势。

第二,端设备的算力增长。未来的端设备会被智能化所广泛地改造,对算力的需求会越来越高。以典型的扫地机器人为例,最初的扫地机器人是基于 MCU 的碰撞式机器人,机器人跑着碰到了障碍物就弹回来继续往前走。但现在扫地机器人已经演化到了基于摄像头的有路径规划能力、有避障能力的计算系统,对芯片的要求也从原来的 MCU 发展成现在的适合 4-6t 算力的计算系统。所以未来端侧会越来越智能化,对算力的要求会越来越高。所以云计算的算力下沉,端设备对算力的要求上提,使得算力汇聚在边缘计算。

我们坚定地看好边缘计算未来的发展。RISC-V 的发展现状是,看好这门技术的人多,但真正去做的比较少,这个世界缺少一颗好的基于 RISC-V 的计算芯片。现在大量的软件都是基于 QEMU 模拟器进行开发,我们希望进迭时空能够真正地参与进来,给全球开发者和商业应用提供好的基于 RISC-V 的计算芯片。

有了计算芯片就相当于有了基础,更多的应用、软件、开发者、爱好者可以基于芯片硬件进行开发,这也会更有助于 RISC-V 架构生态的发展。现在 RISC-V 在国内乃至全球,是先从 LT 端做起来,应用在 MCU、蓝牙、Wi-Fi 等领域,但是偏 AP 类的高端应用芯片比较少。所以我们希望为世界在未来提供一套好的基于 RISC-V 架构的计算芯片和计算系统。

本文整理于 2022 长沙·中国 1024 程序员节大会的《算力和芯片的挑战与突破》主题论坛。

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