RISC-V为什么能这么快入驻HPC应用？

今年参与滴水湖中国RISC-V产业论坛（以下简称滴水湖论坛）主题演讲的企业，选择HPC赛道的已经有不少。去年的滴水湖论坛圆桌环节，嘉宾还在讨论RISC-V芯片首先会在哪些嵌入式应用上起量，以及RISC-V指令集进入HPC的可能性。今年圆桌投票的话题就变成了RISC-V要进入高端应用，汽车电子和数据中心哪个更容易落地。

其实在论坛外的展区，算能就摆出了自家的64位多核服务器CPU SG2042，更不用提整场论坛首个演讲的企业就是基于RISC-V做AI HPC的香饽饽Tenstorrent。这一年是能够看出RISC-V生态的演进和显著变化的。

算能RISC-V 64位多核服务器CPU SG2042

戴伟民（中国RISC-V产业联盟理事长，芯原股份创始人、董事长兼总裁）给了一些数据和例证，比如说此前我们也报道过的Ventana公司宣布推出全球首款数据中心级RISC-V处理器——当时Ventana宣传中提到Veyron VT1的每核性能可比肩Arm Neoverse V系列（亚马逊Graviton3和英伟达Grace分别基于Neoverse V1和V2）；

再比如Tenstorrent高性能RISC-V CPU，基于Ascalon核心的处理器，在SPECint2K17性能上是比肩Intel最新的Sapphire Rapids（四代至强）和AMD Zen 4（Genoa）的。这就让我们好奇，RISC-V为什么能走得这么快，短短数载就已经从嵌入式应用，跃迁到HPC应用了。

RISC-V进驻HPC的原因一

Ark Investment此前的预测数据可能很多读者都见过了：Arm和RISC-V在云业务领域会取代当前主流的x86架构。他们认为Arm + RISC-V的组合所占据的服务器市场份额将从2020年的0，增加到2030年的71%。其实在去年的滴水湖论坛上，戴伟民也援引过这份数据。我们认为这一数字是过于激进的。不过该预测至少从侧面说明了RISC-V的价值。

我们这里探讨的HPC，是将范围窄化到数据中心的，不包含PC、工作站和更多桌面应用。这主要是因为像PC这样的应用，对生态和体验完善度要求极高，且此类应用的生态构建壁垒也高，并不是单纯拼性能、能效。

前不久电子工程专辑发布的《2023年TOP50国产处理器厂商调研与市场分析报告》就提过，我们认为RISC-V在这一市场的大规模应用希望渺茫，因为就连Arm得到主流操作系统与OEM厂商助力的情况下，耕耘多年也未见市场起色；虽然可能在创信一类的小众桌面市场大概会有小范围应用。

但数据中心市场的情况就大不一样了。数据中心不同类别的应用，如果泛化到网络设备，则基于应用的类别相对集中，后来者是有更大的机会获得市场的。解决软件栈的其中一两个应用市场和生态系统，就有机会把自家不同架构的处理器产品做起来。

练维汉（Tenstorrent首席CPU架构师）在滴水湖论坛圆桌环节上反复强调两个词，一是specialization——可以理解为市场的专门化；二是differentiation——芯片产品的差异化。这两者某种程度上可以理解为当代芯片的一体两面。

圆桌论坛上，观众正就RISC-V高端应用，汽车电子与服务器哪个更容易落地投票

所谓的专门、专用，在我们的理解里就是该市场的应用、软件生态相对集中，不像PC或手机那么分散和多样。虽然圆桌上，陆吉年（厦门算能科技有限公司产品总监）很谦虚地说，算能之所以规划基于RISC-V的数据中心CPU，是因为现阶段这是“还没什么人做的东西”，算能也“有能力通过技术去解决实际问题”；但实际上，今年滴水湖论坛更多出现数据中心、汽车这样的应用，就是基于这两类应用是典型的specialization特性。

“以某些国家实验室的HPC系统为例，其实这些国家实验室跑的应用就那么几个。软件生态系统并不需要做太大改变。”练维汉在圆桌上说，“Amazon Graviton也是这样，客户只需要几个工程师，就能把软件移植过去。客户就需要那几个应用，这就是很好的应用场景。”

练维汉形容亚马逊Graviton“是个非常specialized case”，“就为了达成明确的目标。这个市场非常专注，量足够大，有经济效益，比AMD、Intel现成的芯片更能解决问题。”虽然Gravition基于Arm指令集，但在取代x86的问题上是一样的。

“找到特别的应用，找到最少的软件改变，有很好的应用场景，有功能、价钱上的优势，这就是可以切入的方向。”基于此，“汽车也是比较能够切入的生态系统。”“未来的汽车一定是specialized的。”

RISC-V进驻HPC的原因二

而在芯片“差异化”（differentiation）的问题上，体现的就是RISC-V开源造就的灵活性了。在我们看来，对于Tenstorrent的AI芯片及对应的companion CPU而言，RISC-V几乎是他们的不二之选。

因为就像练维汉所说的，Tenstorrent期望做的是以统一的架构，通过弹性缩放的方式，覆盖从嵌入到服务器不同需求的应用——除了AI加速器的弹性缩放，这要求CPU自身具备足够的灵活性。x86和Arm首先就会被排除，x86本身就是不开放的，至于Arm——去年的RISC-V Summit上，练维汉就提过，在他最初加入Tenstorrent之时，准备给ML加速器的companion CPU做评估，去询问Arm能否支持某种特定的数据类型，Arm答复不行。据说Arm的这类支持需要2年时间的内部讨论，及与合作伙伴的磋商。

那么很自然的，RISC-V的灵活性令其成为最终选择。再以汽车为例，“现在汽车公司的竞争，比的是电子系统——必须要做specialization，做差异化。未来的汽车一定是specialized的。” “唯一的选择就是RISC-V，因为可以做定制化，做出你想要的东西，才能卖好价钱。”即便车规有其自身的难度，且开发周期长，但“做这方面的东西一定有市场”。

现场听起来还挺有趣的一个例子是清华大学所做的研究。何虎（清华大学集成电路学院副教授、博士生导师，上海清华国际创新中心副主任）说RISC-V的开源特性，用于研究计算机体系结构是很好的选择。“最近这几年，我们不仅做RISC-V CPU研究，我们也投入了不少力量做RISC-V GPGPU（通用GPU）的设计。”

“基于RISC-V标量和矢量指令，实现高性能GPGPU。”何虎说，“这需要指令流控制、指令启动、寄存器堆扩展、特殊load/store指令，把CPU指令变成GPU架构指令，完全实现RISC-V指令集基础上的GPGPU指令集架构。”

“基于OpenCL并行编程语言开发，不需要做vector方面的优化，实现GPGPU支持，底层实现就是RISC-V的vector指令集。适配到了RISC-V的兼容性，RISC-V的编译器、生态都用得上。”何虎表示，“我们正在推动成立开源社区，吸引广大用户的参与。”

这个例子虽然并不能表明RISC-V于HPC应用生态壮大的趋势，但却是个听起来挺有趣的例子，而且也事实上表达了RISC-V的灵活性。即便可能方向上是不同的。

另外，有关灵活性的问题，还有一点是值得补充的。配合芯片发展方向的chiplet，像Ventana、Tenstorrent这样的企业应当是开启了新的业务模式的。Ventana面向客户提供的就是计算chiplet，而非整颗芯片。这对下游客户造成差异化是很有价值的，客户只需要专注在开发加速器，而不需要在CPU上重复造轮子。

在不同层级的灵活性上，RISC-V和chiplet、先进封装、异构集成又有着天然的适配。Chiplet与RISC-V的搭配，甚至有可能变革半导体行业中IP授权模式，让IP供应商在产业链上扮演的角色发生变化。

RISC-V进驻HPC的原因三

最后一个推动因素，应该考虑半导体行业的区域化（localization）和地缘政治问题。新冠疫情的来袭，以及全球各地的局部摩擦，供应链的时断时续，都让不同国家地区，以及企业开始重新审视，过往对半导体供应链全球化的判断是否准确。

“RISC-V是开放的生态系统，不会受到约束，所以整个生态进步得非常快。”练维汉谈到，“而2019年RISC-V出现飞跃式发展。疫情之前，大家都以为全球产业链是不会破裂的。但疫情影响到了半导体产业链。”

于是更多的国家、地区和人开始思考，要摆脱被掌控，如此“生态也就成长得非常快”，这是“客观环境”促成的。

我们在此前的报告中提过，RISC-V在这个时间点风行，既与电子产业技术与市场发展特性强相关——即差异化、专有化需求的加强，及表现出异构集成、chiplet和RISC-V的并行、相互促进的发展方式；也与全球大环境强相关，更多表现为“自主可控”需求——当然这个自主可控未必是国家层面的。

RISC-V软件生态发展情况

最后稍微谈谈RISC-V当前的软件开发生态建设情况。毕竟这才是真切反映RISC-V发展阶段的根本——虽说前文一直在说，RISC-V现阶段攻入的都是一些偏专用的市场。

过去一个月，我们参加了Intel好几个业务部门的媒体活动。Intel现在会更积极地对外去谈自家的软件——这几次活动都不约而同地提到了RISE（RISC-V Software Ecosystem）。因为Intel也是RISE社区的一员，而且给出了包括compiler在内的很多软件方案。

目前RISE生态系统成员有13家企业。这个项目“旨在加速RISC-V新架构的软件生态建设及应用商业化进程”，“成员将联合推动RISC-V处理器在移动通信、数据中心、边缘计算及自动驾驶等领域的市场化落地”。或许RISE项目发起本身，也可以视为RISC-V快速入驻HPC应用的原因。

傅炜（红帽软件（北京）有限公司首席软件工程师）评价RISE是RISC-V世界的Linaro：“RISE这个组织，红帽也参与其中。这就相当于10多年前的Linaro。”对Arm生态构建过程熟悉的读者，对Linaro必然是不陌生的——这是2010年，Arm、飞思卡尔、IBM、三星等企业联合设立的组织，专为当时的Arm提供开源软件支持。

Linaro为Arm打造的开发板也相当知名。似乎这两年的RISC-V活动上，Linaro总会被有意无意地提起。RISE的发起，显然是借鉴了Arm生态发展的这一先例。“生态组织对于软件发展至关重要，我们需要这样的组织。”傅炜说。

“其实在2018、2019年的时候，RISC-V International讨论过这个问题，我当时也在会议上。但因为那时候连硬件IP都还没有到位，也没有服务器芯片、没有IoT芯片，很难谈得上在上面做什么软件。”傅炜谈到，“现在就是相当好的时机，软件、硬件都有了，那么就可以有这样的组织。”

“今天我们看到算能的服务器（芯片和开发板）。其实在此之前生态、产业都不具备这样的条件。Fedora一直没有把这个合并到主线，因为以前（RISC-V生态）没有服务器，现在有了。”算能在活动展区，除了展示SG2042，还展示了Milk-V Pioneer开发者工作站。现场工作人员告诉我们“个人可以用这台工作站实现一键开发，完成适配工作”。

加上这次展示的Milk-V Pioneer开发板，RISC-V目前的开发板生态正逐步走向完善。似乎仅是Milk-V就做了不少板子，包括交换机的（Vega-FSL1030M——芯来）、小尺寸单板计算机（Mars——赛昉, Meles——平头哥）、低成本紧凑型的Duo等等。傅炜也在PPT上展示了当前Milk-V Pioneer的RISC-V桌面和服务器应用支持情况，他说“软件生态已经比较完整。只不过这些软件还是基础，仍然需要工程师去努力”。

RISE在此之所以重要，就是因为“不同的公司自己单独去做，可能只是在重复造轮子”，基于现有基础去吸引开发者做进一步的开发，是这个生态得以进步的基石。即便圆桌现场，就开源社区是否应该采用区域化，或全球统一管理的问题，大家都有不同意见，但基于这种细节问题的探讨其实已经表明RISC-V软件生态，于更多领域走向成熟了。

最后的最后，提一个RISC-V生态发展的外在表现细节。去年滴水湖论坛上，戴伟民说“这一届我们做两件事，第一要解决专利相关问题，第二要解决碎片化软件生态问题”——虽然第二个问题的现状我们并不十分清楚；但在专利问题上，今年的滴水湖论坛，RISC-V专利联盟就启动了——这也是对当初Linux生态的借鉴。参与联盟的企业“RISC-V之间互相不侵犯，互相不告，这很重要，包括一些专利的共享。”虽然戴伟民说，“具体的细节我们还要继续研究”，但“今天是个开始”。

本世纪初，微软意识到Linux成为竞争威胁，很快尝试利用其4500项专利打压Linux。随着Linux成员的抱团，最终微软宣布了合作，加入到OIN（Open Invention Network），与OIN成员达成专利交叉许可，消除与OIN成员的专利诉讼；与此同时微软免费许可其全部专利组合给OIN成员，包括6万专利。戴伟民说，于RISC-V生态，“我们在重复这件事。”这也是RISC-V向前迈进的写照。