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原创

RISC-V简介

2024-12-11 08:57:56
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一,精简指令集(RISC)与复杂指令集(CISC)
现代计算机架构中,CPU作为计算机的“大脑”一直承担着数据处理的主要职责。尽管近年来以NVIDIA为代表的GPU厂商一直在努力将数据处理的职责从CPU上卸载下来(目前看GPU做的还蛮不错),但在AI之外的业务场景中,CPU仍是数据处理的最核心组件。
CPU在进行数据处理时,总是依赖各个指令instruction来告诉CPU该如何处理当前的数据。在计算机刚出现的年代,每个指令相对简单,对于CPU来说执行每个指令无需太过复杂的步骤。然而随着计算机产业的快速发展,人们需要CPU处理额事务越来越多,也越来越复杂。与之对应的便是CPU接受的指令与数据也越来越复杂,如何进一步提升CPU的性能成为了迫切的需求。

CPU的运行效率通常由三部分决定,其中最右侧的time/cycle表示CPU内部一个时钟周期的时间长度,这一项由CPU的架构、制程工艺等共同决定。剩余两项中,instruction/program代表CPU需要多少次指令才能完成一项任务;cycle/instruction则代表CPU执行一条指令需要多少个时钟周期。
可以看到,如要提升CPU的运行效率,除了提升CPU运行的频率外,能下手的部分便是指令集了。按照上图公式来看,我们可以选择减少每个任务运行时所需的指令数量,也可以减少每个指令运行所需的cycle(CPI,cycle per instruction)。理想情况下我们希望这两点能同时实现,但现实情况是每当我们选择减少程序运行所需指令时,通常也就意味着每个指令的复杂程度上升。而指令复杂程度的增长势必会增加执行时所需的cycle数量。
当前业内主要分为两大技术方向。其一是复杂指令集架构(complex instruction set computer, CISC),这一架构的代表就是大家熟知的X86架构,代表产品就是Intel、AMD两大芯片厂商的处理器。这一指令集架构的设计理念就是创造复杂功能指令,以尽可能减少每个任务中所用到的指令数量。其二便是精简指令集架构(reduced instruction set computer, RISC),代表是近十年发展迅猛的ARM架构与今天的主角RISC-V架构。这一架构旨在减少每个指令的复杂度,以减少指令执行所需cycle,复杂的功能需求则通过多个简单指令的拼接实现。
二,RISC-V的起源
RISC-V指令集架构起源于2010年,加州大学伯克利分校的一个项目,由David Patterson(他也是RISC-I的创始人之一)、Krste Asanovic教授及其研究团队成立。他们需要选择一种处理器指令集,而在分析了 x86、ARM、MIPS、SPARC 等多个指令集后,研究团队发现这些指令集不仅设计越来越复杂,而且还存在知识产权问题,因此研究团队决定自己设计一个新的指令集架构。经过三个月的努力,他们推出了RISC-V架构。
RISC-V自诞生起就展现出开放的特色,不仅指令集开源,RISC-V也面向从边缘微终端处理器到超级计算机的全场景,从FPGA到ASIC的各个器件都有希望使用RISC-V架构。
三,RISC-V现状
为了更好的推广RISC-V指令集,RISC-V基金会与2015年成立,2020年更名为RISC-V国际协会。当前RISC-V国际协会中,有超过一半的高级成员均为中国企业。包括Intel、Google、NVIDIA、Qualcomm等芯片大厂也均在会员行列。
目前国外RISC-V芯片产品化设计做的较好的是SiFive设计的一系列核心IP,P870系列更是RISC-V高性能算力的代表。
RISC-V对国内的芯片设计意义重大。提升本土的芯片技术创新及研发能力,是我国在技术上打破国际芯片垄断格局,提升技术竞争内核的关键。国家从顶层设计和政策支持上,针对芯片半导体行业给予了大力支持。一个安全可信、生态潜力巨大的指令集架构是中国的机会。在目前中国对于芯片产业自主可控的需求之下,开源的 RISC-V 架构已经成为了中国芯片厂商强化芯片自主可控能力,是打破x86 架构以及ARM架构依赖的一个重要方向。

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RISC-V简介

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一,精简指令集(RISC)与复杂指令集(CISC)
现代计算机架构中,CPU作为计算机的“大脑”一直承担着数据处理的主要职责。尽管近年来以NVIDIA为代表的GPU厂商一直在努力将数据处理的职责从CPU上卸载下来(目前看GPU做的还蛮不错),但在AI之外的业务场景中,CPU仍是数据处理的最核心组件。
CPU在进行数据处理时,总是依赖各个指令instruction来告诉CPU该如何处理当前的数据。在计算机刚出现的年代,每个指令相对简单,对于CPU来说执行每个指令无需太过复杂的步骤。然而随着计算机产业的快速发展,人们需要CPU处理额事务越来越多,也越来越复杂。与之对应的便是CPU接受的指令与数据也越来越复杂,如何进一步提升CPU的性能成为了迫切的需求。

CPU的运行效率通常由三部分决定,其中最右侧的time/cycle表示CPU内部一个时钟周期的时间长度,这一项由CPU的架构、制程工艺等共同决定。剩余两项中,instruction/program代表CPU需要多少次指令才能完成一项任务;cycle/instruction则代表CPU执行一条指令需要多少个时钟周期。
可以看到,如要提升CPU的运行效率,除了提升CPU运行的频率外,能下手的部分便是指令集了。按照上图公式来看,我们可以选择减少每个任务运行时所需的指令数量,也可以减少每个指令运行所需的cycle(CPI,cycle per instruction)。理想情况下我们希望这两点能同时实现,但现实情况是每当我们选择减少程序运行所需指令时,通常也就意味着每个指令的复杂程度上升。而指令复杂程度的增长势必会增加执行时所需的cycle数量。
当前业内主要分为两大技术方向。其一是复杂指令集架构(complex instruction set computer, CISC),这一架构的代表就是大家熟知的X86架构,代表产品就是Intel、AMD两大芯片厂商的处理器。这一指令集架构的设计理念就是创造复杂功能指令,以尽可能减少每个任务中所用到的指令数量。其二便是精简指令集架构(reduced instruction set computer, RISC),代表是近十年发展迅猛的ARM架构与今天的主角RISC-V架构。这一架构旨在减少每个指令的复杂度,以减少指令执行所需cycle,复杂的功能需求则通过多个简单指令的拼接实现。
二,RISC-V的起源
RISC-V指令集架构起源于2010年,加州大学伯克利分校的一个项目,由David Patterson(他也是RISC-I的创始人之一)、Krste Asanovic教授及其研究团队成立。他们需要选择一种处理器指令集,而在分析了 x86、ARM、MIPS、SPARC 等多个指令集后,研究团队发现这些指令集不仅设计越来越复杂,而且还存在知识产权问题,因此研究团队决定自己设计一个新的指令集架构。经过三个月的努力,他们推出了RISC-V架构。
RISC-V自诞生起就展现出开放的特色,不仅指令集开源,RISC-V也面向从边缘微终端处理器到超级计算机的全场景,从FPGA到ASIC的各个器件都有希望使用RISC-V架构。
三,RISC-V现状
为了更好的推广RISC-V指令集,RISC-V基金会与2015年成立,2020年更名为RISC-V国际协会。当前RISC-V国际协会中,有超过一半的高级成员均为中国企业。包括Intel、Google、NVIDIA、Qualcomm等芯片大厂也均在会员行列。
目前国外RISC-V芯片产品化设计做的较好的是SiFive设计的一系列核心IP,P870系列更是RISC-V高性能算力的代表。
RISC-V对国内的芯片设计意义重大。提升本土的芯片技术创新及研发能力,是我国在技术上打破国际芯片垄断格局,提升技术竞争内核的关键。国家从顶层设计和政策支持上,针对芯片半导体行业给予了大力支持。一个安全可信、生态潜力巨大的指令集架构是中国的机会。在目前中国对于芯片产业自主可控的需求之下,开源的 RISC-V 架构已经成为了中国芯片厂商强化芯片自主可控能力,是打破x86 架构以及ARM架构依赖的一个重要方向。

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