Python、Java、C++、R...... 在计算机发明以来的大约 70 年里,人类设计了许多主要由英文单词和数学符号组成的编程语言,来命令晶体管执行人类发出的命令。

但是,你的电脑 CPU 上的硅开关,本质上并不能理解单词“for”或符号“=”。为了让芯片执行编程代码,软件必须将这些单词和符号,转换为芯片可以读懂的指令。

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(来源:Pixabay)

工程师会用特定的二进制序列来告诉硬件执行某些操作。例如,代码“100000”可以命令芯片把两个数字加在一起,而代码“100100”可以要求它复制一段数据。这些二进制序列构成了芯片的“基本词汇表”,也被称为计算机的指令集。

多年来,芯片行业一直依赖于各种企业开发的专有指令集。目前的主流指令集有两种类型:由英特尔和 AMD 使用的 x86,以及由 Arm 研发的 Arm。要使用这些指令集,公司必须拿到授权——一个设计可能就要花费数百万美元。

而且,x86 和 Arm 芯片使用不同的“词汇(指令集)”,这让软件开发者必须为同一应用程序制作多个版本,以适应每套指令集。

不过,许多科技公司已经开始大力发展一个名为 RISC-V 的“开放式”指令集。这一转变可能会从根本上改变芯片行业。RISC-V 的支持者说,这种指令集可以让小公司和初创企业更容易获得计算机芯片设计,把他们从昂贵的授权费中解放出来。

支持这项技术的非营利组织 RISC-V International 的首席技术官马克·希默斯坦()说:“目前已经有数十亿颗基于 RISC-V 的核心,产品包括耳机和云服务器。”

2022 年 2 月,英特尔承诺投入 10 亿美元的一部分来发展 RISC-V 生态系统。尽管预测,距离在个人电脑中广泛应用 RISC-V 芯片仍需要几年时间,但由 Xcalibyte 和 DeepComputing 开发的第一款带有 RISC-V 芯片的笔记本电脑 ROMA,已于 2022 年 6 月开启预订。

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什么是 RISC-V?

你可以把 RISC-V 看作是一套计算机芯片的设计规范,就像蓝牙一样它被称为“开放标准”。理论上,这意味着任何人——你、我、英特尔——都可以参与这些标准的开发。此外,任何人都可以设计一个基于 RISC-V 指令集的计算机芯片。

这些芯片将能够执行任何为 RISC-V 设计的软件。值得注意的是,基于“开放标准”的技术不同于“开源”技术。“开放标准”通常会指定技术规范,而“开源”通常指其软件源代码可免费获取、参考和使用的。

2010 年,加州大学伯克利分校的计算机科学家开发了 RISC-V 的基底,以作为芯片设计的教学工具。之所以这样做,是因为市面上企业专有的 CPU 过于复杂和不透明,无法用于校园教育。

后来,RISC-V 的创造者公开了这个指令集,很快就引起了许多人的兴趣。到 2015 年,包括谷歌和 IBM 在内的机构成立了 RISC-V International 非盈利组织,以规范指令集。

RISC-V 最基本的版本只有 47 条指令,比如从内存中加载一个数字和将两个数字相加。然而,RISC-V 后续也提供了更多的指令,后被称为“扩展”。这让添加诸如运行人工智能算法所需的向量数学等特性成为可能。

比利时微电子研究中心的埃里克·梅德里奇()说,有了 RISC-V 你可以根据需要来设计芯片的指令集,它允许你开发定制的、由应用驱动的硬件。

此前,需要 CPU 的公司通常要购买现成的芯片,因为从头开始设计芯片太昂贵和耗时。特别是对于更简单的设备,比如警报器或厨房设备。不过,现成的芯片通常有许多额外功能,这可能会让设备的处理速度变慢或者耗电更高。

中国耳机公司 Bluetrum 是使用 RISC-V 的典型案例。耳机不需要太强的计算能力,而该公司发现它可以设计出使用 RISC-V 指令的简单芯片。说:“如果他们没有使用 RISC-V,要么就得采购功能超出所需的商业芯片,要么就得设计自己的芯片或指令集。(看起来)哪个都不是最好的选择。”

梅杰德里奇说,RISC-V 有助于降低芯片设计的“入场门槛”。RISC-V 的支持者会召开关于如何构建基于 RISC-V 的 CPU 的公开研讨会。设计 RISC-V 芯片的人现在可以与谷歌、半导体制造商 SkyWater 和芯片设计平台 Efabless 合作,将自己的设计免费制造出来。

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RISC-V 的下一步

巴拉吉·巴克塔()是初创公司文塔纳微系统公司(Ventana Micro Systems)的 CEO,他为数据中心设计基于 RISC-V 的芯片。他指出,他们在设计上的改进主要基于开放标准所提供的灵活性,使得这些芯片能够以更少的能耗更快地执行计算。

根据国际能源机构的数据,2021 年数据中心约占全球总电力消耗量的 1%,而这一数字在过去几年中一直在上升。表示,RISC-V 芯片可能会帮助显著降低这个数字(碳足迹)。

不过,英特尔和 Arm 的芯片仍然很受欢迎,目前还不清楚 RISC-V 是否会取代他们。许多公司需要将现有的软件转换为与 RISC-V 兼容的软件。前面提到的 ROMA 笔记本电脑将支持大多数版本的 Linux 系统。

梅杰里奇说,RISC-V 用户需要注意那些可能会“分裂生态系统”的开发方式。例如,有人可能会开发出一个流行的 RISC-V 版本,但却不兼容原始 RISC-V 设计的软件。

RISC-V International 还必须应对与该非营利组织的开放理念不一致的地缘政治紧张局势。为了避免出现更多的紧张局势,这家非营利组织于 2020 年将总部迁往瑞士。

表示,展望未来这个项目将从 Linux 中获得灵感,希望 RISC-V 将允许更多的人实现他们对新技术的想法。“最终,你将会看到更多的创新产品,”他说道。

支持:Ren

原文:

https://www.technologyreview.com/2023/01/24/1064974/riscv-chip-design-10-breakthough-technologies-2023/