RISC-V陣營在本月初召開的第一次開源指令集架構(ISA)年度高峰會時宣佈,RISC-V正式商用「開放」!這場在矽谷舉辦的活動首度亮相業界多款即將商用的核心、FPGA、人工智慧(AI)與互連晶片,這一時間也正值中國積極為該架構重整多達數百種RISC-V核心以及開發中的數十款核心之際。

在此次活動中,Western Digital (WD)詳細介紹了一款32位元嵌入式核心,計劃用於2020年出貨的消費固態硬碟(SSD)控制器中。除了開源的核心,WD還推出為RISC-V處理器打造的快取一致性互連協議。此外,該公司目前也已經展開64位元核心的開發工作了。

微芯科技(Microchip)旗下子公司Microsemi介紹一款五核心的複合晶片,預計將在2020年初嵌入於其PolarFire FPGA。該晶片象徵該公司標準化採用RISC-V計劃的第一步。

在熱門的機器學習領域,新創公司SiFive介紹兩款RISC-V晶片——一款基於Nvidia深度學習加速器的嵌入式推論元件,另一款訓練晶片則採用全新RISC-V向量擴展以及HBM2記憶體與56Gbit/s串列解串器(Serdes)。

RISC-V基金會(RISC-V Foundation)早期成員Google將展示其TensorFlow Lite軟體,瞄準在RISC-V晶片上執行Zephyr作業系統(OS)的嵌入式系統。比特幣挖礦晶片公司比特大陸(Bitmain)則透露去年發表的Sophon Edge AI晶片採用了RISC-V核心作為其感測器中樞。

韓國SSD新創公司Fadu介紹採用7奈米(nm)製程的SSD控制器,它還採用了64位元RISC-V核心。在去年RISC-V研會首次亮相的AI晶片新創公司Esperanto則介紹其高頻亂序RISC-V核心ET-Maxion,採用台積電(TSMC)的7製程技術製造。

此次的活動還邀請來自恩智浦(NXP)、高通(Qualcomm)和Facebook AR/VR晶片設計團隊發表專題演講。此外,還有各種關於RISC-V的安全架構以及工具供應商最新消息的多個課程。

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Western Digital將於明年4月發表32位元Swerv核心的開源程式碼(來源:WD)

「我們很滿意RISC-V生態系統在過去一年來取得的進展。」WD技術長Martin Fink指出,像特斯拉(Tesla)這樣的知名大廠以及一些工具供應商都在去年加入了RISC-V基金會。「接下來,我們希望看到台積電和格芯科技(Globalfoundries)等代工廠的全力支援。」

Microchip FPGA業務行銷總監Tim Morin說:「我認為生態系統即將出現......這是第一場商業RISC-V高峰會,而且是一場產業重大盛會。」

在當今這個以Arm為主導的處理器IP市場(2017年約有213億台的出貨量),RISC-V的份量可說是微不足道。然而,市調公司Linley Group首席分析師Linley Gwennap在上個月由晶心科技(Andes Technology)舉辦的RISC-V CON大會上指出,RISC-V越來越具有吸引力,而且相當適用於嵌入式、汽車和物聯網(IoT)等無需第三方軟體廣泛支援的應用。

他補充說,如果Google將Android移植到RISC-V 上,將使該架構更受益匪淺,而且還會得到RTOS供應商的更多關注。

SiFive至今已經提供多達400種執行Linux的RISC-V系統了。為了協助萌芽中的軟體開發人員社群,另一批產品也呼之欲出了。

核心和快取一致性互連

這場活動的最大驚喜之一是WD發佈的開源協議——這是為了連接RISC-V處理器、加速器和記憶體而開發的快取一致性互連協議。OmniXtend協議位於乙太網路實體層(PHY),在持續成長中的開放和專有互連組合中為RISC-V尋找新的定位。

Fink說:「CCIX或OpenCapi都不算是結構,而是點對點的協議。GenZ則是一種結構協議,但還無法支援快取一致性,儘管未來將納入支援,但也無法連接到像乙太網路這樣的低成本商用PHY。」

WD並非在號召支持者。相反地,該公司發佈了OmniXtend程式碼,供第三方按需求使用。他說:「特別是有一種情況是沒有人參與或支援之處。」

該公司旨在支援客戶想要的任何介面。然而,它確實希望為英特爾(Intel)的Omnipath和DDR-T (x86處理器專用介面)提供開放式替代產品。

第一版OmniXtend預計將在明年6月推出,將採用WD的原型板、SiFive的RISC-V核心,以及Barefoot Networks的乙太網路交換機(執行以P4語言編寫的程式碼)。但該公司並未發佈該設計的目標頻寬或數據速率。

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OmniXtend透過乙太網路PHY提供一致性互連(來源:WD)

此外,WD將在明年4月前線上發佈32位元Swerv核心的開源程式碼。循序核心採用28nm製程製造,可執行最高達1.8GHz的頻率,提供4.91CoreMarks/MHz,超越Arm、MIPS等現有的許多循序和亂序核心。

Fink說:「我們的第一顆RISC-V核心性能超出了原本的預期,因而能夠取代目前使用的其他核心。」

該核心模擬器的開源程式碼據稱現在就可以取得,但基於該核心的WD產品將於明年晚些時候推出。

WD的管理階層支持針對該核心和協議的工作進展。Fink說,「雖然我在兩年前剛加入WD時,開放來源還不是業界典範......我當時即預期會有一場仗要打,因而只能張開雙臂迎接。」

該公司的一支特殊研發團隊在2014年啟動了RISC-V任務。Fink說:「他們告訴我目前在做什麼,由於我有一些開源建模的背景,因而認為這真的很酷,而且也讓我們有機會改變整個產業。」

今天,WD對於RISC-V的標準化承諾,最終將其用於每年出貨超過10億個核心中,這是該計劃最終將取得主流動能的最佳案例之一。

5核心複合晶片瞄準確定性、安全性

Microsemi將在其中階產品中嵌入一款5核心RISC複合晶片,建立PolarFire FPGA SoC產品線,並於2019年中期開始銷售。該5核心複合晶片中的4顆核心支援Linux的記憶體管理和浮點單元,第5顆核心主要用於執行RTOS。

Microsemi並與SiFive合作量身打造這些核心,以及可以配置為暫存或直接存取記憶體的2MB L2快取。這些新的核心支援多項增強功能,可支援比典型應用處理器更具確定性的性能。例如,工程師關閉了分支預測器,可讓所有的核心與記憶體保持一致。

為了安全起見,記憶體支援單一位元糾錯(SEC)和雙位元錯誤檢測(DED),以及實體記憶體保護。其記憶體區塊中包括差分功耗分析安全加密核心、防禦級安全啟動,以及128Kbits唯讀快閃記憶體。

如同大多數FPGA,Microsemi預計這些產品將用於廣泛市場,包括從航空航太與國防導彈、無線電到可攜式醫療和測試設備、工業相機和無線遠端無線電頭端等。

Morin進一步解釋說,「大多數人都會將晶片配置為兩個分區,其中4個核心使用Linux,另一個專用RTOS則用於I/O。另一種常用模式則適用於具有兩個嵌入式或即時應用的系統。」

PolarFire產品將支援多達500,000個邏輯單元和高達12.7G SerDes。相較於同樣配置的賽靈思(Xilinx) Kintex和Artix元件,Micorsemi的目標更強調的是降低功耗和成本。

Renode的功能模擬模型——Antmicro開源架構,可供想要趕在2020年初推出晶片的工程師開始設計使用。Microsemi將一系列作業系統移植到核心,包括FreeRTOS、華為(Huawei)、Micrium和Zephyr RTOS。

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Polar FPGA SoC將於2020年初推出,內含5顆RISC-V核心(來源:Microsemi)

中國搶搭RISC-V浪潮

除了矽谷的這場高峰會,在中國,對於RISC-V的濃厚興趣也在沸騰中。對此,RISC-V基金會關注的重點在於整合各方資源於一條相容的發展路徑上。

RISC-V基金會執行董事Rick O'Connor表示,「我們正討論到目前有數百項(或甚至高達數千項)[基於RISC-V的SoC]專案正在進行中;這聽起來真的很瘋狂......可能至少有40到50家公司或學術團體正在進行核心開發———部份用於內部,一些用於開源,以及一些投入商用。」

中國目前已經成立了兩個RISC-V聯盟。其中之一包括了阿里巴巴(Alibaba)、巨龍通訊(Great Dragon Telecom)、華為(Huawei)和中興通訊(ZTE)等大型企業,計劃打造RISC-V核心。另一個組織的開發重點在於將核心整合至SoC所需的工具和實務。

O’Connor說:「其他組織則仍處於起步階段,尚未推出產品,但他們的目標是將同一區域的小型公司聯繫起來——並將其視為區域用戶群。」

英特爾中國研究院(Intel Labs China)前院長方之熙(Jesse Zhixi Fang)說這些活動「立意良好,但我們必須避免核心ISA的細分化,並教育人們其開放性......我們試著透過教育人們保持核心ISA不變以避免零碎化。」方之熙最近被任命為RISC-V 基金會中國顧問委員會主席,負責加速推動RISC-V ISA在中國的應用。

O’Connor說:「在我們接觸的業界或政府層級人員中,並沒有任何人對使用不同版本的RISC-V感興趣。」

方之熙說:「我想大家都不至於故意製造零碎化,但他們不一定會完全遵循標準核心的種種細節。」他並指出他帶領的委員會將負責監督技術資料的翻譯。

過去幾年來,中國透過與AMD合資取得了x86、聯手高通取得Arm以及透過IBM取得了Power等大部份主要的處理器架構。到目前為止,一些中國伺服器製造商表示,他們仍更喜歡來自美國較成熟的資源,但這種情況可能即將改觀。

一般而言,RISC-V免授權的本質,以及它並不專屬於任何一家公司的事實,「改變了取得處理器的政治......以及政府對科技投資的視野,」O’Connor認為。

為了確保相容性,該基金會還加速採用一套自我管理測試以提升認證計劃。基礎RISC-V規格現正進行最終審核,因為它可能是未來18個月內即將發佈的一系列相容性測試的首選技術。

O’Connor說:「這就是我們的首要任務之一。」

該小組選擇了基於簽名的自我認證,部份原因在於為了保持流程簡單。在產生RTL程式碼之前,核心開發人員可在使用高階模型進行硬體模擬的某個階段進行測試。

他說,例如在中國成立的組織「可能希望能共同執行測試,但卻缺少正式的RISC-V相容性實驗室計劃。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:RISC-V Takes a Leap Forward,by Rick Merritt)