中國服務(wù)器芯片迎來高光時刻

最近，中國本土服務(wù)器芯片出現(xiàn)兩大亮點：首先，RISC-V 又進一步，特別是以山東大學(xué)部署的采用 RISC-V CPU 的服務(wù)器為代表，十分引人關(guān)注；其次，基于自研架構(gòu)的高性能芯片繼續(xù)取得本土客戶的認可，凸出代表就是華為和龍芯自研的 CPU，特別是華為的服務(wù)器芯片，市場接受度進一步提升。

中國 RISC-V 芯片和系統(tǒng)進展

RISC-V 指令集架構(gòu)是免費、開源的，提供了一種更快、更便宜的芯片設(shè)計方案，而且，RISC-V 的結(jié)構(gòu)使其非常適用于處理各種應(yīng)用和復(fù)雜計算需求的云原生環(huán)境。近些年，RISC-V 對英特爾和 AMD 使用的 x86 架構(gòu)，以及亞馬遜、蘋果、三星和高通等公司使用的 Arm 架構(gòu)的威脅越來越大，雖然短期內(nèi)還無法實現(xiàn)替代，但長期發(fā)展前景非常好。也正是因為如此，國內(nèi)外多家廠商和科研機構(gòu)都在 RISC-V 技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)方面加大投入。

在中國大陸市場，還存在減少對西方芯片技術(shù)依賴的問題，在此情況下，RISC-V 的優(yōu)勢就更凸出了。

10 月，山東大學(xué)部署了一個采用 RISC-V CPU 的服務(wù)器集群，該系統(tǒng)共有 3072 個核，有 48 個 64 位 RISC-V CPU 節(jié)點。阿里巴巴生態(tài)系統(tǒng)總監(jiān)陳大偉在加利福尼亞州圣克拉拉舉行的 RISC-V 峰會上發(fā)表演講時表示，這是 RISC-V 集群在云端的首次部署，目前，該系統(tǒng)主要用于山東大學(xué)的教學(xué)和科研項目，部分功能也可用于商用云計算。

據(jù)悉，山東大學(xué)的 RISC-V 系統(tǒng)采用了國內(nèi)某公司的 SG2042 芯片，該芯片主頻為 2GHz，緩存為 64MB。系統(tǒng)支持 PCIe Gen 4 接口。今年早些時候，該公司發(fā)布了 RISC-V 芯片，阿里巴巴與其合作將 Linux 操作系統(tǒng)引入該服務(wù)器集群。不過，目前的 RISC-V 軟件生態(tài)系統(tǒng)還比較弱，需要時間去培育。

目前，中國已經(jīng)實現(xiàn)流片的 RISC-V 芯片主要采用 110nm 和 28nm 制程工藝，但相關(guān)產(chǎn)品和系統(tǒng)僅用于科學(xué)研究，未完全達到商用水平。

今年，中國科技部資助了多個 RISC-V 芯片的研發(fā)工作，許多大學(xué)和科研院所都開始專注于 RISC-V 芯片開發(fā)。

中國科學(xué)院 (CAS) 正在與阿里巴巴、騰訊和中興通訊等中國本土頂尖企業(yè)合作開發(fā)名為「香山-v3」的 RISC-V 芯片，同時，相關(guān)的新型操作系統(tǒng)也在開發(fā)過程中。CAS 希望該芯片的性能能與 Arm 于 2021 年發(fā)布的 Neoverse-N2 服務(wù)器 CPU 相當(dāng)。據(jù)悉，中國相關(guān)企業(yè)和科研機構(gòu)正在開發(fā)專門用于 RISC-V 芯片設(shè)計的開源 EDA 工具。

經(jīng)過這些年的推廣和積累，中國相關(guān)企業(yè)和科研機構(gòu)已經(jīng)成為全球 RISC-V 芯片和解決方案的主要貢獻者。2022 年，全球生產(chǎn)了 100 億顆 RISC-V 芯片，其中，一半在中國制造。

國際廠商在 RISC-V 方面的進展

十年前，當(dāng) RISC-V 問世后，迅速獲得了包括蘋果公司在內(nèi)的國際芯片大廠的支持，最近幾年，英特爾也很看好 RISC-V 的發(fā)展前景，并加大了投入。

如前文所述，RISC-V 的軟件生態(tài)系統(tǒng)比較弱，針對于此，英特爾的 Codeplay 軟件部門發(fā)布了 OneAPI 套件，其中包括供開發(fā)人員在 x86 PC 上的模擬 RISC-V 環(huán)境中測試代碼的工具。該套件的標志性功能是支持 SYCL，它允許編碼人員在不同的硬件架構(gòu)上編譯應(yīng)用程序。該套件包括對英特爾 DPC++/C++編譯器的支持，允許重新編譯 C++代碼，可以跨多個硬件架構(gòu)使用。

如果沒有硬件和軟件協(xié)同設(shè)計的架構(gòu)，編碼人員就會習(xí)慣性地使用 x86 和 Arm 系統(tǒng)。對此，英特爾的做法是：在芯片發(fā)布之前就提供 Linux 驅(qū)動程序，以確保硬件與最新版本的操作系統(tǒng)兼容。

開發(fā)人員還可以在類似 Raspberry Pi 的開發(fā)板或 Milk-V、StarFive 等公司的系統(tǒng)上測試 RISC-V 代碼，這兩家公司都提供支持 Linux 的 64 位 RISC-V 系統(tǒng)。

目前來看，一些 RISC-V 軟件包（如 Pytorch、GCC、TensorFlow 和 OpenJDK）可以正常工作，但尚未完全得到支持，近些年，對 LibreOffice 和 Firefox 等開源應(yīng)用程序的支持正在建立過程中。廠商方面，谷歌正在加速對 RISC-V 上的 AOSP（Android 開源項目）的支持，這將是下一個架構(gòu)規(guī)范的重要組成部分。

RISC-V 服務(wù)器芯片制造商 Esperanto Technologies 和 Ventana Micro Systems 已經(jīng)推出了用于云計算的芯片，其中，Esperanto 已將 Meta 的 Open Pre-Trained Transformer 模型移植到其 RISC-V 服務(wù)器上。不過，總體來看，這兩家公司涉及軟件支持和編程模型的產(chǎn)品和服務(wù)并不多。

負責(zé)開發(fā)和推進 RISC-V 標準的 RISC-V International 正在研發(fā)架構(gòu)規(guī)范，試圖通過建立 RISC-V 軟件生態(tài)系統(tǒng)（稱為 RISE），為 RISC-V 系統(tǒng)創(chuàng)建底層軟件工具和中間件，該項目的支持者包括谷歌、英特爾、英偉達、高通、三星和 Ventana 等公司。

在歐洲，英特爾正在與巴塞羅那超級計算中心（BSC）合作，為超級計算機制造 RISC-V 芯片。BSC 希望高性能 RISC-V 處理器能盡早商用，他們希望利用 Chiplet（小芯片）技術(shù)，將 RISC-V 內(nèi)核整合到 Chiplet 架構(gòu)中，這正是英特爾的強項，未來，英特爾將會制造越來越多的 Chiplet 架構(gòu)芯片，以增加設(shè)計靈活性，因為它能將 CPU、GPU、I/O、內(nèi)存、電源管理和其它電路功能放入同一個封裝中。如果能將 RISC-V 與內(nèi)存通過 Chiplet 架構(gòu)封裝在一起，則可以降低眼下的內(nèi)存帶寬瓶頸，從而拓寬 RISC-V 在機器學(xué)習(xí)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展道路。

最近，Meta 也推出了一款基于 RISC-V 架構(gòu)的 AI 推理芯片。

由于中國已經(jīng)是全球 RISC-V 產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，因此，國際產(chǎn)業(yè)界一直在呼吁加強與中國的合作。RISC-V International 首席執(zhí)行官 Calista Redmond 表示：「健康的合作和競爭可以推動最先進技術(shù)向前發(fā)展。我想強調(diào)一點，正確的全球標準支撐著我們在歷史進程中所見過的最重要的技術(shù)，無論是 USB 還是以太網(wǎng)，以及 HTTPS 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這些東西可以創(chuàng)造公平的競爭環(huán)境，讓我們能夠創(chuàng)新。」

業(yè)界普遍反對政府對 RISC-V 開發(fā)與合作的限制和干擾，美國業(yè)界人士表示：「任何限制都只會減少美國對一項重要新興技術(shù)的參與，同時鞏固 Arm 作為現(xiàn)有嵌入式 CPU 壟斷供應(yīng)商的地位?！?/p>

RISC-V 距離規(guī)模商用依然較遠

目前來看，RISC-V 處理器在高性能計算領(lǐng)域的應(yīng)用和研究依然處于探索階段。軟件生態(tài)系統(tǒng)、芯片、電路板和系統(tǒng)的可靠性問題并沒有解決。除了技術(shù)，商業(yè)問題也很凸出。

目前，RISC-V 處理器僅能滿足嵌入式應(yīng)用場景，對于高性能服務(wù)器來說，還無法承擔(dān)那樣的性能負荷，不要說服務(wù)器，就目前而言，RISC-V 還不能滿足 PC 的應(yīng)用要求。

就目前的發(fā)展階段和性能來看，RISC-V 并不適合做高性能 CPU。RISC-V 標準指令集非常精簡，32 位基礎(chǔ)指令是 47 條，64 位基礎(chǔ)指令是 15 條，基礎(chǔ)指令共 62 條，加上并入標準的擴展指令，總數(shù)在 300 條左右，而 Arm 的指令數(shù)超過 2000 條，x86 則更多。由于 RISC-V 的功能比較簡單，用 RISC-V 和龍芯實現(xiàn)同樣的功能（GCC 編譯器），RISC-V 會比龍芯多用 20% 的指令。

雖然 RISC-V 允許拓展指令集，但這并不能解決一切問題，因為軟件生態(tài)系統(tǒng)支持不足的話，單靠拓展指令集是遠遠不夠的，因為商家自己拓展的不是 RISC-V 標準指令集，很容易產(chǎn)生碎片化問題，缺乏統(tǒng)一性的話，軟件生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)就會缺乏錨點，很難讓一套軟件生態(tài)滿足所有拓展出的 RISC-V 指令要求。

中國本土 CPU 新勢力崛起

除了 RISC-V 處理器，近期，中國本土其它架構(gòu)高性能計算產(chǎn)品也在不斷突破應(yīng)用極限，華為、龍芯等都有好消息傳出。

2022 年底，英偉達的高性能 GPU 芯片 H100（全球人工智能應(yīng)用系統(tǒng)的首選處理器）被禁止銷往中國大陸，那之后，中國本土企業(yè)只能購買降低了內(nèi)存帶寬的版本，也就是 H800 和 A800，但是，近期，這些降速版本的 GPU 也被禁售了。

在這樣的背景下，華為自研的昇騰 910 和昇騰 310 處理器，特別是性能更高的昇騰 910，及其最新版本芯片得到了越來越多中國本土 IT 系統(tǒng)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)大廠的青睞，訂單量持續(xù)提升。這兩款芯片是華為在 2018 年發(fā)布的，同期還推出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算架構(gòu)、開發(fā)工具包和跨 AI 的云訓(xùn)練框架。

今年 8 月，中國人工智能公司科大訊飛董事長劉慶峰高度評價了華為開發(fā)的處理器，將它比作英偉達的 A100。劉慶峰表示，科大訊飛正在與華為合作進行硬件開發(fā)。當(dāng)然，不止科大訊飛一家，有幾家中國本土頭部 IT 和互聯(lián)網(wǎng)大廠都在與華為合作，開發(fā)高性能計算系統(tǒng)。

英偉達在 2020 年和 2022 年分別推出了 A100 和 H100 芯片，憑借多年的技術(shù)積累，以及先發(fā)優(yōu)勢，英偉達占據(jù)了全球 AI 芯片市場的最大份額，而生成式 AI 的興起進一步鞏固了該公司的行業(yè)地位。在生態(tài)系統(tǒng)方面，華為要想與英偉達競爭，最大的劣勢是人工智能軟件生態(tài)，這方面，英偉達已經(jīng)非常完善了，需要后來者付出幾倍的努力才有趕超希望。

近些年，華為也在建設(shè)自己的人工智能生態(tài)系統(tǒng)，被稱為 CANN。不過，據(jù)專家介紹，與英偉達的生態(tài)系統(tǒng)相比，華為在訓(xùn)練 AI 模型方面存在局限性，需要補的課還很多。

除了華為，龍芯是另一大看點。

近期，龍芯確認，將在 11 月底正式推出處理器 3A6000，測試數(shù)據(jù)顯示，3A6000 的 SPEC 性能達到了英特爾 10 代酷睿 4 核處理器的水準。

雖然龍芯一直受到質(zhì)疑，但是，其每一代處理器的性能提升確是肉眼可見的。這次，3A6000 依然基于該公司自研的 LoongArch 指令集架構(gòu)，工藝制程依舊是 12nm，內(nèi)核升級為 LA664，也就是 64 位。3A6000 為 4 核處理器，所以擁有 4 個 LA664 核心，支持 128 位向量處理擴展指令（LSX）和 256 位高級向量處理擴展指令（LASX）。

另外，3A6000 的一個非常大的變化是首次支持同步多線程技術(shù)，也就是超線程技術(shù)，所以，3A6000 實際為 4C8T。頻率依舊是 2.5GHz，L3 為 16MB，支持 DDR4-3200 內(nèi)存。

龍芯還推出了服務(wù)器 CPU 芯片 3C6000 和 3D6000，以及具有較高性價比的桌面級 CPU 芯片 2K3000，可用于上網(wǎng)本、工控、迷你主機等。

龍芯也在 GPU 方面發(fā)力，近期推出了 9A1000，對標 AMD 的 RX 550 顯卡，計劃在 2024 年第三季度流片。9A1000 支持科學(xué)計算加速和 AI 加速。

結(jié)語

目前，PC 和手機應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)達到瓶頸期，未來幾年，主要拼存量市場，對增量市場已經(jīng)沒有什么期待了。因此，在處于成長階段的中國大陸半導(dǎo)體市場，特別是各個系統(tǒng)必需的 CPU、GPU 等處理器，必需要以有巨大增量市場為主要目標，而高性能計算和 AI 的發(fā)展前景非常廣闊。

在這樣的大背景下，中國本土相關(guān)企業(yè)和科研院所正在加大對擁有較大發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)領(lǐng)域的投入，這其中就包括 RISC-V，同時，也不能放下自主處理器架構(gòu)的開發(fā)，只有兩條腿走路，一條充分與國際接軌，另一條立足于自主，才能在未來的競爭中擁有更多籌碼。

中國本土企業(yè)之間，以及與相關(guān)的科研院所，也需要進一步加強溝通與合作，這樣可以提升芯片和系統(tǒng)研發(fā)效率。