從歷屆 HotChips 檢視 RISC-V 的發展

2021 年 3 月，擁有 MIPS 智慧財產權的 Wave Computing，宣布放棄 MIPS 指令集，轉向 RISC-V，剛好跟當代兩位合著兩本經典教科書（白算盤、計量方法）的 RISC 大師有所關聯：創造 MIPS 的 John Hennessy，與帶領 RISC-V 研發團隊的 David Patterson。

對於經歷過SGI繪圖工作站與Irix作業系統全盛時期的老一輩IT人，或著一路讀著他們著作成長的科班人士，看到昔日高高在上的RISC諸神，繼PA-RISC、Alpha、IA-64後 （加上看似岌岌可危的SPARC），又將再消失一個，想必內心多少有股不勝唏噓之感。

然後很可笑的，幾乎所有的媒體報導，都千篇一律耗費大量篇幅去解釋「什麼是指令集架構（ISA, Instruction Set Architecture），為什麼這麼重要」，彷彿計算機結構（Computer Architecture）一詞由來過去數十年來從不存在，到今天才從天上掉下來。高談闊論「RISC指令集的先天優勢」就更好笑了，先別提這些老早就是教科書的基本知識，這些人是沒看到20世紀末期是如何上映「RISC諸神的黃昏」嗎？

言歸正傳。問世於2010年，由當代計算機結構大師David Patterson所領導的RISC-V（第五代RISC架構）指令集，因其開源與可自訂客製化指令的特性，加上ARM自身節節高升的研發開銷與營運成本，都羊毛出在羊身上的轉嫁到授權費用，而NVIDIA企圖併購ARM的舉動，更進一步危及中立性。近期外傳英特爾想以20億美元代價併購SiFive、並確定將在2022年發表7奈米製程、SiFive高效能核心Performance P550的Horse Creek處理器，更讓RISC-V得到越來越多關注的目光。

RISC-V早已得到科技大廠的青睞。NVIDIA從2016年，就在GPU內導入RISC-V指令集的Falcon（Fast Login Controller）微控制器，翻新使用超過十年的舊架構。

NVIDIA內部的RC18推論處理器研究案，也是整合RISC-V指令集相容處理器為I/O元件核心，實現每秒128兆次的推論執行，且功耗只有13.5瓦。

此外，Western Digital與Seagate這兩間硬碟機雙雄，也選擇自研RISC-V處理器，作為新一代硬碟機／固態硬碟機的控制晶片，一年出貨單位都以「10億」起跳。David Patterson本人2016年加入Google，也讓人不禁遐想，這間一向鴨子划水的雲端巨頭，是不是又要搞出啥驚天動地的大事。

即使RISC-V的發展看似前途似錦，但一般人可能還是對歷史演進一頭霧水，所以筆者就整理歷屆HotChips（及柏克萊大學內部教材）這個在處理器業界極具影響力的活動，並附上簡報網址，方便各位瞧瞧RISC-V是怎麼一步一步走過來的，又是如何展現應用多樣性。

2013 HotChips 25

RISC-V首度在HotChips亮相，並展示基於IBM 45奈米SOI晶圓製程的RISC-V處理器與「Rocket」實作微架構。值得一提的是，除了大名鼎鼎的David Patterson，成立於2015年的SiFive，三名創辦人Krste Asanović、Yunsup Lee、Andrew Waterman均赫然在列。

（Source：The RISC-V Instruction Set）

2014 HotChips 26

這年RISC-V並未出現在活動議程，但他們還是留下這張照片。

（Source：Hotchips）

這屆HotChips讓筆者最有印象的，莫過於AMD的議程是有點搞笑的ARM版本Opteron「Seattle」。

剛好在HotChips活動前，柏克萊大學出現這份教材，解釋「為何指令集應該免費開放」，並且明示RISC-V相較其他開源RISC指令集的優勢，包含預留定址模式、壓縮指令編碼版本和128位元定址等等。

（Source：Berkeley EECS）

2015 HotChips 27

RISC-V基金會2015年正式成立。

柏克萊大學實驗性的28奈米製程RISC-V向量處理器，不過重點還是擺在RISC-V相對ARM的優越性。

（Source：Hotchips）

開源的Rocket純量核心。NVIDIA第一代RISC-V Falcon就是以其為基礎。

（Source：RISC-V）

2015年底公布16位元指令編碼長度的壓縮版RISC-V規範，類似ARM的Thumb與MIPS的MIPS16。

（Source：RISC-V）

2017 HotChips 29

剛成立不久的SiFive發表業界第一顆開源的RISC-V晶片：Freedom E310微控制器，台積電180奈米製程，面積6平方公釐。

（Source：Hotchips）

不限RISC-V的發跡地柏克萊大學，開始也有其他學校共襄盛舉。

（Source：Hotchips）

某間軟硬體開發顧問公司用FPGA變出1680個RISC-V核心的參考設計框架。

（Source：Hotchips）

2019 HotChips 31

SiFive共同創辦人講解RISC-V的歷史與全貌，並提及以2010年夏天「三個月即可實現的處理器專案」為起點，希望設計出更乾淨指令集架構的往事。

（Source：Hotchips）

介紹RISC-V的生態系統，姑且不論裡面究竟有多少「水分」。

（Source：Hotchips）

2020 HotChips 32

阿里巴巴也加入戰局，研發針對人工智慧物聯網（AIoT）的RISC-V晶片。

（Source：HotChips）

瑞士聯邦政府1854年成立的研究機構，透過Chiplet多晶片包水餃，做出名為Manticore的4096核心怪物，目標在高效能浮點運算能比肩Fujitsu A64FX與NVIDIA A100。

（Source：HotChips）

柏克萊大學研究的整合式系統單晶片設計模擬與實作環境。

（Source：HotChips）

不限於CPU，美國理工大學排名前三名的喬治亞理工學院，也將RISC-V延伸到GPGPU應用。

（Source：HotChips）

2021 HotChips 33

以下是預定今年8月的HotChips 33議程，也許過一陣子會變得更多也說不定。

這也是學術研究案，目標在提升RISC-V處理器的安全性。

• Morpheus II: A RISC-V Security Extension for Protecting Vulnerable Software and Hardware（Todd Austin, University of Michigan）

RISC-V也開始「滲透」到開放式架構的5G基地台。

• Architecting an Open RISC-V 5G and AI SoC for Next Generation 5G Open Radio Access Network（Sriram Rajagopal, EdgeQ）

出現「Tensor」（張量）這關鍵字，對NVIDIA GPU不陌生的讀者一定馬上想起這是什麼。

• Accelerating ML Recommendation with over a Thousand RISC-V/Tensor Processors on Esperanto’s ET-SoC-1 Chip（David Ditzel, Esperanto Technologies）

基於「CORDIC」（座標旋轉）的三角函數硬體加速器。

• A CORDIC-based Trigonometric Hardware Accelerator with Custom Instruction in 32-bit RISC-V System-on-Chip（Khai-Duy Nguyen; University of Electro-Communications）

這樣一路看下來，相信各位大概知道一件事：對RISC-V最有興趣的對象，無非「不想付錢給ARM，自己有本錢開晶片的大廠」、「想省掉ARM授權金，因此找免費方案的新創公司」、以及「連錢都沒得付的學術機構」。

但即使RISC-V的發展勢頭，乍看之下「枝繁葉茂」差可比擬，但回到「RISC-V能否徹底取代ARM甚至x86」這個大哉問，筆者對此保持比較悲觀的看法。天底下沒有免費的午餐，當廠商充分享受針對特定應用而客製化指令集時，勢必造成版本與軟體分裂化，這也幾乎註定RISC-V很容易變成「每個人自己玩自己的」，這對一套指令集的長期發展，絕對不是好事，要不然Linus Torvals也不會為了AVX-512暴走。

更何況也是最重要的，一套成功的指令集架構，如同「成功的男人背後都有一個偉大的女人」、「傲嬌的公主身邊都有一位萬用的男人」，都有起碼一個地位舉足輕重的作業系統支撐存在價值，像x86有Windows，ARM有Android，那RISC-V呢？目前看不出來，但Google的態度可能是最重要的關鍵。

看在David Patteron已在Google工作的份上，是不是足以取代現有英特爾、AMD、IBM的高效能RISC-V泛用處理器，是不是已經在Google資料中心某排機櫃內默默服役了？Google是否也看壞ARM的未來，為此主動「加碼」RISC-V？這一切還很有得瞧。

（首圖來源：shutterstock）