1991 年，22 歲的 Linus Torvalds一邊在芬蘭赫爾辛基大學(xué)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)，一邊設(shè)計(jì)了 Linux 著名的系統(tǒng)內(nèi)核。26年來，這個(gè)開源的操作系統(tǒng)惠及了無數(shù)開發(fā)者和成千上萬的公司，我們熟悉的安卓手機(jī)操作系統(tǒng)也源于這個(gè)開源內(nèi)核，既然操作系統(tǒng)可以開源，那么CPU能開源嗎？開源的CPU能給我們產(chǎn)業(yè)帶來更多巨變嗎？現(xiàn)在，這個(gè)問題有答案了。
青澀的大神--Linus Torvalds
在參加5月初的第六屆RISC-V研討會(huì)以前，我斷斷續(xù)續(xù)了解了RISC-V處理器的一些特點(diǎn)，不過在研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng)還是被亮出的對(duì)比參數(shù)嚇到了！---同樣32位處理器，RISC-V的Dhrystone數(shù)值竟然是ARM的8倍同樣也是X86的8倍！而主頻可以超過5倍！最高竟然跑到320MHz！DMIPS / MHz則秒殺了號(hào)稱能效最好的Cortex-M0+內(nèi)核。
而與A5相比，RISC-V V2的面積效率高了近乎50%！
就是這樣一款性能出色，功耗更低的CPU，它竟然是免費(fèi)的！免費(fèi)的！
“RISC-V完全開源，大家可以在Sifive網(wǎng)站(www.sifive.com)下載這款CPU的RTL 代碼！”Sifive創(chuàng)始人，RISC-V指令集開發(fā)主導(dǎo)人加州大學(xué)伯克利分銷教授ASPIRE實(shí)驗(yàn)室主任Krste Asanovic在第六屆精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC-V）研討會(huì)上接受電子創(chuàng)新網(wǎng)采訪時(shí)指出?！?/span>考慮到處理器的絕對(duì)數(shù)量，目前最主流的通用ISA（Instruction-Set Architecture, ISA指令集架構(gòu)，是一個(gè)處理器支持的指令和指令的字節(jié)級(jí)編碼）還是RISC。ISA和網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、圖像標(biāo)準(zhǔn)庫比較，可以看到網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、編譯器等等領(lǐng)域都有主流的標(biāo)準(zhǔn)，基于該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)有開源免費(fèi)的版本以及商用收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。不過在ISA領(lǐng)域，之前并沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，也沒有開源免費(fèi)的ISA，僅有商用的ISA，這讓整個(gè)ISA領(lǐng)域的生態(tài)顯得死氣沉沉。所以開源的RISC-V要給處理器領(lǐng)域帶來活力。”
RISC-V是加州大學(xué)伯克利分校的研究者為了支持計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究和教育目的而設(shè)計(jì)的新型指令集架構(gòu)，指令集的開發(fā)遵循開源軟件的開發(fā)方式。與主流芯片架構(gòu)需要高昂的授權(quán)許可費(fèi)用不同，RISC-V免費(fèi)向所有人開放，開發(fā)者可以基于這個(gè)架構(gòu)開發(fā)應(yīng)用于PC、服務(wù)器、智能手機(jī)、可穿戴和其他設(shè)備的芯片。自從RISC-V架構(gòu)提出以來，吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注與興趣，谷歌、微軟、高通及華為等頂尖公司成為RISC-V基金會(huì)的會(huì)員。
在本屆研討會(huì)上，我看到加州大學(xué)伯克利分校、劍橋大學(xué)、上海交通大學(xué)、中科院計(jì)算技術(shù)研究所，NVIDIA、SiFive、Achronix、華為、ARM等高校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)的參會(huì)代表與來自世界各地的參會(huì)者分享最新RISC-V項(xiàng)目信息，探討該指令集的未來發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用。
現(xiàn)場(chǎng)大神隨處可見
RISC架構(gòu)領(lǐng)域開拓者計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的泰斗--美國(guó)工程院美國(guó)科學(xué)院院士、加州大學(xué)伯克利分校教授也是RISC-V 處理器發(fā)明人David Patterson做了開幕演講。
Krste Asanovic在隨后的演講中詳細(xì)介紹了RISC-V 的來龍去脈。他回顧了ISA的發(fā)展史。指出在計(jì)算機(jī)發(fā)展之初，ROM比起RAM來說更便宜而且更快，所以并不存在片上緩存（cache）這個(gè)東西。在那個(gè)時(shí)候，復(fù)雜指令集（CISC）是主流的指令集架構(gòu)。然而，隨著RAM技術(shù)的發(fā)展，RAM速度越來越快，成本越來越低，因此在處理器上集成指令緩存成為可能。RISC的出現(xiàn)可謂水到渠成。研究發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)執(zhí)行大多數(shù)程序時(shí)CISC指令集中絕大多數(shù)指令都只在極少的時(shí)間才被用到，因此專門為這些指令設(shè)計(jì)硬件并不劃算。相反，使用精簡(jiǎn)指令集（RISC）可以大大簡(jiǎn)化硬件的設(shè)計(jì)，從而使流水線設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)化，同時(shí)也讓流水線可以運(yùn)行更快。RISC-V 正是UC伯克利發(fā)明的第五代RISC處理器。
我們知道，評(píng)估處理器性能的指標(biāo)即程序運(yùn)行時(shí)間由幾個(gè)因素決定，即程序指令數(shù)，平均指令執(zhí)行周期數(shù)（CPI）以及時(shí)鐘周期。程序指令數(shù)由程序代碼，編譯器以及ISA決定，CPI由ISA以及微架構(gòu)決定，時(shí)鐘周期由微架構(gòu)以及半導(dǎo)體制造工藝決定。對(duì)于RISC，程序指令數(shù)較多，但是CPI遠(yuǎn)好于CISC，因此RISC比CISC更快。
“當(dāng)時(shí)我們看到X86 ISA有IP問題而且太復(fù)雜，而ARM內(nèi)核當(dāng)時(shí)還沒有64位版本，也有IP問題而且太復(fù)雜。所以我們?cè)?010年啟動(dòng)了一個(gè)3個(gè)月項(xiàng)目，去開發(fā)一款干凈的ISA，當(dāng)時(shí)有四個(gè)人是主設(shè)計(jì)師參與設(shè)計(jì)?！?span>Krste Asanovic表示。“我們的目標(biāo)是RISC-V能成為所有計(jì)算設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)ISA。”
他指出RISC-V作為一個(gè)開源ISA，首先要滿足對(duì)ISA的一般要求。首先，它必須與現(xiàn)存的主流編程語言和軟件兼容。第二，它必須有直接硬件實(shí)現(xiàn)，而不是一個(gè)虛擬機(jī)。第三，它必須有很好的彈性，能滿足小至微控制器（MCU）大到超級(jí)計(jì)算機(jī)的需求。第四，能與各種實(shí)現(xiàn)方式兼容，包括FPGA，ASIC，全定制CPU，以及未來的其他實(shí)現(xiàn)。第五，需要與各種微架構(gòu)配適，包括有序執(zhí)行，無序執(zhí)行，單發(fā)射，超標(biāo)量等等。最后，還需要滿足可擴(kuò)展性（可以作為基礎(chǔ)ISA，在特殊用途中加上額外的增強(qiáng)ISA），以及穩(wěn)定性（不會(huì)一直變化，不會(huì)突然消失等等）。
除了滿足一般的需求外，RISC-V還有自己的特色。首先，它很簡(jiǎn)單，比其他的商用ISA規(guī)模都要小很多。第二，它很干凈，例如在用戶與特權(quán)ISA之間涇渭分明，有非常清晰的界限。另外，RISC-V中沒有與微架構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)方式有關(guān)的特性，因此具有普適性。第三，RISC-V是模塊化的ISA，它的基礎(chǔ)ISA很小，但是可以根據(jù)用戶需求去加載擴(kuò)展集。
最后，RISC-V特別為了可擴(kuò)展性和專精化做了優(yōu)化，使用了可變長(zhǎng)度的指令編碼，并且有許多空間以供指令集擴(kuò)展。最特別的一點(diǎn)是，RISC-V支撐了一個(gè)開源的社區(qū)，包含了非盈利基金會(huì)以及開源代碼庫。
David Patterson表示RISC-V包含一個(gè)非常小的基礎(chǔ)指令集和一系列可選的擴(kuò)展指令集。最基礎(chǔ)的指令集只包含40條指令，通過擴(kuò)展還支持64位和128位的運(yùn)算以及變長(zhǎng)指令，其他以完成的擴(kuò)展包括了乘除運(yùn)算、原子操作、浮點(diǎn)運(yùn)算等，正在開發(fā)中的指令集還包括壓縮指令、位運(yùn)算、事務(wù)存儲(chǔ)、矢量計(jì)算等。 指令集的開發(fā)也遵循開源軟件的開發(fā)方式，即由核心開發(fā)人員和開源社區(qū)共同完成。
通過這一系列的指令集擴(kuò)展，幾乎可以用RISC-V構(gòu)建適用于任何一個(gè)領(lǐng)域的微處理器，比如云計(jì)算、存儲(chǔ)、并行計(jì)算、虛擬化/容器、MCU、應(yīng)用處理器、DSP處理器等等?！?span>RISC-V支持多核，而且擴(kuò)展性很好，可以很方便地?cái)U(kuò)展到多核架構(gòu)。”他強(qiáng)調(diào)，“使用RISC-V的理由有第一，RISC-V是免費(fèi)開源架構(gòu)，無須付費(fèi)。第二，它的ISA比起其他ISA來說簡(jiǎn)單許多，因此驗(yàn)證起來也方便許多。第三，RISC-V很穩(wěn)定，不用擔(dān)心突然發(fā)生很大變化或者直接就消失。第四，RISC-V可以在各種設(shè)計(jì)中比起其他ISA更高效，面積、功耗和性能都更好。第五，RISC-V可以作為各種SoC核的基礎(chǔ)ISA，第六，RISC-V具有很好的擴(kuò)展性，可以隨意按照需求擴(kuò)展。”
Krste Asanovic表示已經(jīng)有一顆基于RISC-V的芯片流片成功，基于該芯片的開發(fā)板兼容Arduino售價(jià)59美元，而且他透露印度已經(jīng)對(duì)RISC-V采取了積極的歡迎態(tài)度，在中國(guó)，RISC-V也收到歡迎已經(jīng)有不少公司對(duì)表示了興趣。
他還介紹了RISC-V基金會(huì)情況，目前已經(jīng)有很多知名公司加入。
RISC-V基金會(huì)目前已經(jīng)60家企業(yè)客戶，金牌贊助商每年加納會(huì)費(fèi)1萬美元，銀牌贊助商每年5000美元。
“不過，RISC-V其實(shí)不是一個(gè)開源的處理器，它是一套ISA規(guī)范。”Krste Asanovic強(qiáng)調(diào)，“在芯片設(shè)計(jì)中，最大的成本是軟件，所以我們要確保在所有芯片上可以復(fù)用。RISC-V基金會(huì)既鼓勵(lì)基于RISC-V ISA的 開源處理器設(shè)計(jì)，也鼓勵(lì)支持RISC-V ISA專有設(shè)計(jì)。”
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