1瓦功耗5GHz頻率：全球最快Risc-V芯片出世效率超越蘋果M1
圖靈獎獲得者，計算機體系結構先驅David Patterson：“這真是太神奇了。”開放開源的Risc-V架構一直被認為前途不可限量，最近一段時間也獲得了越來越多公司和機構的支持，市面上既出現了阿里平頭哥這樣的高性能處理器，也有華米打造的可穿戴設備芯片。
但習慣了X86和Arm架構的很多人一直對於Risc-V這個秉承開放的架構持懷疑態度，人人都能自主可控，是否能催生出完整的生態？
但首先，Risc-V本身必須足夠強大。
RISC-V的驚人突破
十年前，加州大學伯克利分校的一個實驗室裡誕生了一個想法：有人想創造計算機芯片的通用指令，這套指令將被所有芯片製造商使用，但又不屬於任何一個製造商。
雖然這個願景還未實現，但最近的確發生了一件有趣的事情：該校的研究成果RISC-V已經開始在芯片設計方面取得一些技術突破。
根據全球半導體行業知名媒體EETimes的報導，前些天，一家位於加州森尼維爾的小型電子設計公司Micro Magic宣稱：他們設計、生產出了全世界最快的64位RISC-V內核，比蘋果的M1芯片和Arm Cortex-A9表現還要出色。該公司認為，該芯片優雅地實現了David Patterson（參與創建RISC-V的加州大學伯克利分校教授）對精簡指令集計算機（RISC）架構的最初設想，在當今用電池供電的設備上也能輕鬆工作。
Micro Magic的聲明中提到，這款原型CPU在1.1v電壓下可以達到5GHz的時鐘速度，遠高於運行速度為3.2GHz的英特爾Xeon服務器芯片E7，CoreMarks跑分達到13000分。而1.1伏時，該芯片只需要消耗1瓦的功率，不到英特爾Xeon功率的1%。此外，單個Micro Magic核心在0.8V下可以達到4.25GHz，CoreMarks跑分達到11000分，但消耗的功率僅為200mW。
與此同時，這款RISC-V芯片的速度和能效也超過了Exynos4。Exynos4是三星電子為其智能手機生產的頂級部件，基於ARM Holdings Plc提供的計算核心，是英特爾的主要競爭對手。
David Patterson在接受ZDNet採訪時說：“這真是太神奇了……我認為IBM的大型主機有5GHz的液冷產品，但需要100瓦才能運行”。
David Patterson
Patterson還表示：“我也聽到過一些關於FPGA的令人印象深刻的數字，大概是600MHz”，他指的是可重新編程芯片，“對於軟核來說，這似乎相當快”。
Patterson對技術創新的突飛猛進感到非常驚訝，“創新的潛力總是存在的”，但這並不是他和加州大學伯克利分校教授Krste Asanovic在2011年首次為RISC-V撰寫宣言時的初衷。
“因為它是開放的，所以我們會看到很多這類競爭”，Patterson反思道。
“也許是因為競爭激烈，我們開始看到設計領域一些真正有趣的東西正在被實現”，Patterson說，他同時也是谷歌的傑出工程師。
新的5GHz處理器僅僅是一個原型，而不是一個車庫起家的初創公司的產物。它是由矽谷芯片知識產權設計公司Micro Magic Inc製造的，該公司為矽谷所有的大公司提供諮詢服務已有25年。一小隊經驗豐富的芯片設計師能夠完成這樣的任務，這意味著一場設計復興可能即將到來。
這款芯片不僅在低功耗下速度更快，在基準得分上也赶超英特爾和三星的芯片。在CoreMark基準測試中，這款RISC-V芯片的得分為13000分，是基於ARM的Exynos單核性能得分的兩倍多。雖然英特爾Xeon名義上單核性能更高，達到26009分，但Xeon需要更多線程，120個線程才能達到上述結果。
Micro Magic業務聯絡人、長期擔任芯片行業高管的Dr。Andy Huang在接受ZDNet電話採訪時解釋說：這一突破在於CPU和內存的交互方式。Micro Magic的兩位創始人Mark Santoro和Lee Tavrow在90年代早期為一種SRAM計算機內存芯片申請了專利。
這一RISC-V原型芯片改變了存儲快、芯片慢這種現狀。
“如果內存運行在5GHz，而邏輯運行在1GHz，誰是瓶頸？”Dr。Andy Huang打趣道。但他沒有透露具體細節。
關鍵在於開放
Huang還表示：他們成功的關鍵在於RISC-V是開放的，不像英特爾芯片的複雜指令集架構CISC，也不像ARM芯片中的RISC版本。芯片設計可以解決上述瓶頸。但如果芯片的指令被鎖定，瓶頸就很難解決。
為了解釋這一點，Huang還打了個比方。
“我問我兒子為什麼他更喜歡三星（智能手機）而不是蘋果，他說是因為如果他想改變什麼，他可以讓他的一個編程朋友幫他做，因為Android是開放的，不像iOS” 。Huang這樣比喻。
“這就是我們為什麼要把所有的成功都歸功於Dr。Patterson”，Huang說，“他創造了迄今為止最高效、最優雅的RISC架構”。
“我們應該叫他聖Patterson”，Huang說。
Micro Magic芯片的成功不僅僅是修改指令集那麼簡單，還有一種經濟因素在起作用。
Dr。Huang強調，CISC或ARM的指令集都有1000多條指令，而RISC-V的指令不到100條。
由於RISC-V指令集簡單，Micro Magic能夠使用標準矽晶圓生產其芯片，無需進行特殊調整。這使得使用所謂的shuttlerun成為可能。在製造過程中，該芯片與其他家的芯片組合在同一個晶圓上。由於晶圓的成本是由多方共同承擔的，所以這樣可以節省成本。
“人們經常討論用1億美元來做一個定制的ASIC”，Patterson說，這意味他們想做一種為特定應用而調整的芯片。“但他們（Micro Magic）沒有花1億美元去做這件事”。
儘管Patterson和Huang都沒有強調，但還有一個經濟因素也在起作用：如果你在ARM許可方面沒有太多的預算，那麼shuttlerun會讓你的處境變得容易一些，因為這樣就可以將ARM許可費用分攤。
Micro Magic的芯片在3.08GHz頻率下的功耗是0.69mW，此時的CoreMark分數為8200分。
考慮到世界上最大的芯片製造商之一英偉達（Nvidia）正以400億美元的價格收購ARM，這個經濟方面的問題開始變得重要起來。
Nvidia首席執行官黃仁勳（Jensen Huang）描述了他對ARM雄心勃勃的計劃，並且他向華爾街保證，ARM許可證的持有者、他的競爭對手們不會介意英偉達收購ARM。
但是此舉顯然為替代品提供了新的機會。當被問及這筆交易時，Patterson表現得非常謹慎。英偉達是RISC-V生態系統的成員，並全心全意地支持該技術。
巨大的想像空間
Micro Magic的Huang說，自從Micro Magic發布了簡短的芯片公告後，就有科技巨頭開始聯繫他。
“在那市值總和達到4萬億美元的四大科技巨頭（蘋果、微軟、亞馬遜、Alphabet）”中，已經有兩家公司給我發來了電子郵件”，Huang說，但他沒有透露具體是哪兩家公司。
Huang的這個說法為我們提供了一個假設的空間，即蘋果或谷歌可能利用該芯片在能效方面取得突破。
“谷歌已經擁有了移動開源軟件Android，想像一下，如果他們再拿到最節能、性能最強大的開源RISC核心，移動消費者將從中獲得多少收益”，Huang這樣說道。
“再想像一下最新的蘋果手錶不需要每晚充電，”這是Huang提出的另一種可能性。
Huang說，不管有沒有這樣的交易，Micro Magic都希望將其RISC-V的知識產權應用到越來越多的設計中，從而在全球電力消耗方面取得實質性的進展。
“我們的目的是幫助世界，幫助個人電腦、筆記本電腦世界、平板電腦世界、手機世界、可穿戴設備、遊戲、電動汽車和物聯網……我們的目標是為將世界碳排放量減少一半做出貢獻。”
五到十年之後，RISC-V將成為最重要的指令集？
一個CPU原型並不是一場革命。通過與英特爾和其他公司的實際出貨產品進行比較，我們可以發現一個事實，即完成芯片設計需要很多的部件。
這就是為什麼圍繞RISC-V的公司生態系統如此重要。目前，宣布將使用RISC-V的公司數量雖然不多，但正在增長。
Patterson說：“所有你能想到的產品，甚至是數據中心，都有人在認真考慮RISC-V”。
他說：“我們感覺，最難的地方已經過去了。幾年前，我們討論的是為什麼要用RISC-V，現在，我們討論的是為什麼我不用RISC-V”。
Si Five是矽谷的一家初創公司，多年來致力基於RISC-V的芯片知識產權的研發。八月份，該公司成立了一個業務部門Open Five，致力於為各種應用（包括AI和邊緣計算）生產定制芯片。Patterson的合作者Asanović教授是Si Five的首席架構師。
另一家典型的RISC-V生態支持者是台灣的嵌入式處理器製造商晶心科技（Andes Technology。多年來，該公司總共向電子產品製造商出售了數十億的CPU設計。
上個月，Si Five和Andes Technology都在著名的芯片技術會議（Linley Fall Processor）上展示了使用RISC-V的人工智能新芯片設計。
Si Five告訴ZDNet，他們現在已經與80多家公司達成了200多項設計方案，其中包括前十大半導體製造商中的6家。憑藉FADU、華米、高通、三星和新思國際在設計領域取得的成功，目前Si Five的核心出貨量已達數千萬。
晶心科技在上個月的一份季度報告中對投資者表示，今年約三分之一的收入來自基於RISC-V的零部件。
大型磁盤驅動器製造商Seagate Technology和Western Digital都是下個月舉行的RISC-V Summit的讚助商，這是該生態系統的第三屆年度技術峰會。該活動由RISC-V國際協會主辦，該協會是一家非盈利機構，目前代表了750多個致力於推進該標準的締約方，其中包括中國智能手機供應商華為、芯片製造商賽靈思、高通以及IBM。Asanović是該組織的主席，Patterson是副主席。
然而，無論RISC-V有多成功，我們可能永遠不會知道它的全部用途。這是因為，儘管ARM和其他商業技術提供商要求被許可方簽署文件，但RISC-V的使用者無需披露其使用情況。
RISC-V國際協會要求供應商自願披露使用情況，但不強制。基於這個原因，很難看到RISC-V使用範圍的具體證據，Patterson說。
最近，Patterson通過視頻與合作者進行了一系列的一對一訪談，以慶祝RISC-V十週年。Patterson告訴ZDNet，其中一位合作者提出了一個驚人的觀點：在五到十年內，RISC-V可能是世界上最重要的指令集。“一方面，這聽起來很瘋狂，但這並非不可能。”Patterson說道。
參考內容：
https://arstechnica.com/gadgets/2020/12/new-risc-v-cpu-claims-recordbreaking-performance-per-watt/