频率|1瓦功耗5GHz频率：全球最快Risc-V芯片出世，效率超越苹果M1_效率|Micro|超越|Xeon|Dav

机器之心报道
机器之心编辑部
图灵奖获得者，计算机体系结构先驱 David Patterson：「这真是太神奇了。」

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开放开源的 Risc-V 架构一直被认为前途不可限量，最近一段时间也获得了越来越多公司和机构的支持，市面上既出现了阿里平头哥这样的高性能处理器，也有华米打造的可穿戴设备芯片。
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 EE Times 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。

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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 Exynos 4 。 Exynos 4 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」。

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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
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。

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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 shuttle run 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 shuttle run 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。

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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」。
SiFive 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 OpenFive ，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 Asanovi?教授是 SiFive 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， SiFive 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。
SiFive 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 SiFive 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 。 Asanovic?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。
参考内容：
https://www.zdnet.com/article/risc-v-the-linux-of-the-chip-world-is-starting-to-produce-technological-breakthroughs/
https://arstechnica.com/gadgets/2020/12/new-risc-v-cpu-claims-recordbreaking-performance-per-watt/
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_原题《1瓦功耗， 5GHz频率：全球最快Risc-V芯片出世，效率超越苹果M1》
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