1瓦功耗5GHz频率:全球最快Risc-V芯片出世 效率超越苹果M1

2020年12月13日 | By News | Filed in: News.

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但习惯了X86和Arm架构的很多人一直对于Risc-V这个秉承开放的架构持怀疑态度,人人都能自主可控,是否能催生出完整的生态?

但首先,Risc-V本身必须足够强大。

RISC-V的惊人突破

十年前,加州大学伯克利分校的一个实验室里诞生了一个想法:有人想创造计算机芯片的通用指令,这套指令将被所有芯片制造商使用,但又不属于任何一个制造商。

虽然这个愿景还未实现,但最近的确发生了一件有趣的事情:该校的研究成果RISC-V已经开始在芯片设计方面取得一些技术突破。

根据全球半导体行业知名媒体EETimes的报道,前些天,一家位于加州森尼维尔的小型电子设计公司Micro Magic宣称:他们设计、生产出了全世界最快的64位RISC-V内核,比苹果的M1芯片和Arm Cortex-A9表现还要出色。该公司认为,该芯片优雅地实现了David Patterson(参与创建RISC-V的加州大学伯克利分校教授)对精简指令集计算机(RISC)架构的最初设想,在当今用电池供电的设备上也能轻松工作。

Micro Magic的声明中提到,这款原型CPU在1.1v电压下可以达到5GHz的时钟速度,远高于运行速度为3.2GHz的英特尔Xeon服务器芯片E7,CoreMarks跑分达到13000分。而1.1伏时,该芯片只需要消耗1瓦的功率,不到英特尔Xeon功率的1%。此外,单个Micro Magic核心在0.8V下可以达到4.25GHz,CoreMarks跑分达到11000分,但消耗的功率仅为200mW。

与此同时,这款RISC-V芯片的速度和能效也超过了Exynos4。Exynos4是三星电子为其智能手机生产的顶级部件,基于ARM Holdings Plc提供的计算核心,是英特尔的主要竞争对手。

David Patterson在接受ZDNet采访时说:“这真是太神奇了……我认为IBM的大型主机有5GHz的液冷产品,但需要100瓦才能运行”。

David Patterson。图源:https://spectrum.ieee.org/view-from-the-valley/computing/hardware/david-patterson-says-its-time-for-new-computer-architectures-and-software-languages

David Patterson

Patterson还表示:“我也听到过一些关于FPGA的令人印象深刻的数字,大概是600MHz”,他指的是可重新编程芯片,“对于软核来说,这似乎相当快”。

Patterson对技术创新的突飞猛进感到非常惊讶,“创新的潜力总是存在的”,但这并不是他和加州大学伯克利分校教授Krste Asanovic在2011年首次为RISC-V撰写宣言时的初衷。

“因为它是开放的,所以我们会看到很多这类竞争”,Patterson反思道。

“也许是因为竞争激烈,我们开始看到设计领域一些真正有趣的东西正在被实现”,Patterson说,他同时也是谷歌的杰出工程师。

新的5GHz处理器仅仅是一个原型,而不是一个车库起家的初创公司的产物。它是由硅谷芯片知识产权设计公司Micro Magic Inc制造的,该公司为硅谷所有的大公司提供咨询服务已有25年。一小队经验丰富的芯片设计师能够完成这样的任务,这意味着一场设计复兴可能即将到来。

这款芯片不仅在低功耗下速度更快,在基准得分上也赶超英特尔和三星的芯片。在CoreMark基准测试中,这款RISC-V芯片的得分为13000分,是基于ARM的Exynos单核性能得分的两倍多。虽然英特尔Xeon名义上单核性能更高,达到26009分,但Xeon需要更多线程,120个线程才能达到上述结果。

Micro Magic业务联络人、长期担任芯片行业高管的Dr。Andy Huang在接受ZDNet电话采访时解释说:这一突破在于CPU和内存的交互方式。Micro Magic的两位创始人Mark Santoro和Lee Tavrow在90年代早期为一种SRAM计算机内存芯片申请了专利。

这一RISC-V原型芯片改变了存储快、芯片慢这种现状。

“如果内存运行在5GHz,而逻辑运行在1GHz,谁是瓶颈?”Dr。Andy Huang打趣道。但他没有透露具体细节。

关键在于开放

Huang还表示:他们成功的关键在于RISC-V是开放的,不像英特尔芯片的复杂指令集架构CISC,也不像ARM芯片中的RISC版本。芯片设计可以解决上述瓶颈。但如果芯片的指令被锁定,瓶颈就很难解决。

为了解释这一点,Huang还打了个比方。

“我问我儿子为什么他更喜欢三星(智能手机)而不是苹果,他说是因为如果他想改变什么,他可以让他的一个编程朋友帮他做,因为Android是开放的,不像iOS”。Huang这样比喻。

“这就是我们为什么要把所有的成功都归功于Dr。Patterson”,Huang说,“他创造了迄今为止最高效、最优雅的RISC架构”。

“我们应该叫他圣Patterson”,Huang说。

Micro Magic芯片的成功不仅仅是修改指令集那么简单,还有一种经济因素在起作用。

Dr。Huang强调,CISC或ARM的指令集都有1000多条指令,而RISC-V的指令不到100条。

由于RISC-V指令集简单,Micro Magic能够使用标准硅晶圆生产其芯片,无需进行特殊调整。这使得使用所谓的shuttlerun成为可能。在制造过程中,该芯片与其他家的芯片组合在同一个晶圆上。由于晶圆的成本是由多方共同承担的,所以这样可以节省成本。

“人们经常讨论用1亿美元来做一个定制的ASIC”,Patterson说,这意味他们想做一种为特定应用而调整的芯片。“但他们(Micro Magic)没有花1亿美元去做这件事”。

尽管Patterson和Huang都没有强调,但还有一个经济因素也在起作用:如果你在ARM许可方面没有太多的预算,那么shuttlerun会让你的处境变得容易一些,因为这样就可以将ARM许可费用分摊。

Micro Magic 的芯片在 3.08GHz 频率下的功耗是 0.69mW,此时的 CoreMark 分数为 8200 分。

Micro Magic的芯片在3.08GHz频率下的功耗是0.69mW,此时的CoreMark分数为8200分。

考虑到世界上最大的芯片制造商之一英伟达(Nvidia)正以400亿美元的价格收购ARM,这个经济方面的问题开始变得重要起来。

Nvidia首席执行官黄仁勋(Jensen Huang)描述了他对ARM雄心勃勃的计划,并且他向华尔街保证,ARM许可证的持有者、他的竞争对手们不会介意英伟达收购ARM。

但是此举显然为替代品提供了新的机会。当被问及这笔交易时,Patterson表现得非常谨慎。英伟达是RISC-V生态系统的成员,并全心全意地支持该技术。

巨大的想象空间

Micro Magic的Huang说,自从Micro Magic发布了简短的芯片公告后,就有科技巨头开始联系他。

“在那市值总和达到4万亿美元的四大科技巨头(苹果、微软、亚马逊、Alphabet)”中,已经有两家公司给我发来了电子邮件”,Huang说,但他没有透露具体是哪两家公司。

Huang的这个说法为我们提供了一个假设的空间,即苹果或谷歌可能利用该芯片在能效方面取得突破。

“谷歌已经拥有了移动开源软件Android,想象一下,如果他们再拿到最节能、性能最强大的开源RISC核心,移动消费者将从中获得多少收益”,Huang这样说道。

“再想象一下最新的苹果手表不需要每晚充电,”这是Huang提出的另一种可能性。

Huang说,不管有没有这样的交易,Micro Magic都希望将其RISC-V的知识产权应用到越来越多的设计中,从而在全球电力消耗方面取得实质性的进展。

“我们的目的是帮助世界,帮助个人电脑、笔记本电脑世界、平板电脑世界、手机世界、可穿戴设备、游戏、电动汽车和物联网……我们的目标是为将世界碳排放量减少一半做出贡献。”

五到十年之后,RISC-V将成为最重要的指令集?

一个CPU原型并不是一场革命。通过与英特尔和其他公司的实际出货产品进行比较,我们可以发现一个事实,即完成芯片设计需要很多的部件。

这就是为什么围绕RISC-V的公司生态系统如此重要。目前,宣布将使用RISC-V的公司数量虽然不多,但正在增长。

Patterson说:“所有你能想到的产品,甚至是数据中心,都有人在认真考虑RISC-V”。

他说:“我们感觉,最难的地方已经过去了。几年前,我们讨论的是为什么要用RISC-V,现在,我们讨论的是为什么我不用RISC-V”。

Si Five是硅谷的一家初创公司,多年来致力基于RISC-V的芯片知识产权的研发。八月份,该公司成立了一个业务部门Open Five,致力于为各种应用(包括AI和边缘计算)生产定制芯片。Patterson的合作者Asanović教授是Si Five的首席架构师。

另一家典型的RISC-V生态支持者是台湾的嵌入式处理器制造商晶心科技(Andes Technology。多年来,该公司总共向电子产品制造商出售了数十亿的CPU设计。

上个月,Si Five和Andes Technology都在著名的芯片技术会议(Linley Fall Processor)上展示了使用RISC-V的人工智能新芯片设计。

Si Five告诉ZDNet,他们现在已经与80多家公司达成了200多项设计方案,其中包括前十大半导体制造商中的6家。凭借FADU、华米、高通、三星和新思国际在设计领域取得的成功,目前Si Five的核心出货量已达数千万。

晶心科技在上个月的一份季度报告中对投资者表示,今年约三分之一的收入来自基于RISC-V的零部件。

大型磁盘驱动器制造商Seagate Technology和Western Digital都是下个月举行的RISC-V Summit的赞助商,这是该生态系统的第三届年度技术峰会。该活动由RISC-V国际协会主办,该协会是一家非盈利机构,目前代表了750多个致力于推进该标准的缔约方,其中包括中国智能手机供应商华为、芯片制造商赛灵思、高通以及IBM。Asanović是该组织的主席,Patterson是副主席。

然而,无论RISC-V有多成功,我们可能永远不会知道它的全部用途。这是因为,尽管ARM和其他商业技术提供商要求被许可方签署文件,但RISC-V的使用者无需披露其使用情况。

RISC-V国际协会要求供应商自愿披露使用情况,但不强制。基于这个原因,很难看到RISC-V使用范围的具体证据,Patterson说。

最近,Patterson通过视频与合作者进行了一系列的一对一访谈,以庆祝RISC-V十周年。Patterson告诉ZDNet,其中一位合作者提出了一个惊人的观点:在五到十年内,RISC-V可能是世界上最重要的指令集。“一方面,这听起来很疯狂,但这并非不可能。”Patterson说道。

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December 12, 2020 at 07:44PM


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