作者 | 馬超
出品 | CSDN（CSDNnew）
近日計算機體系結構方面的頂級學術會議ISCA2020公佈了論文入選結果（http://iscaconf.org/isca2020），阿里平頭哥半導體公司有三篇論文入選，創下國內芯片公司的記錄。
其中有關玄鐵910處理器的論文，更是意義重大，這不但標誌著我國芯片公司將通過RISC-V突破指令集方面的知識產權堡壘，更是我國完全自主的學術成果首次入選ISCA。此前在ISCA這樣的芯片行業頂會上，我國企業的論文甚至都還沒有以第一作者身份入選的記錄。
在另外兩篇論文中，平頭哥分別與谷歌、微軟等IT巨頭合作提出了一種可解決存儲牆問題的“基於近存儲體架構的可編程硬件和軟件架構”以及提出目前業界主流的硬件性能測試平臺MLPerf推理基準。
初識頂會ISCA
ISCA （International Symposium on Computer Architecture）是計算機體系結構領域最權威的會議之一，其中芯片領域一直是ISCA的強項，會議論文入選的門檻極高，評審標準也很嚴，比如今年共有421篇論文投稿，最終僅有77篇入選，接收率還不到五分之一。但這樣嚴格的入選標準，也造就了ISCA的頂級水準，大會論文往往成為行業發展的重要風向標，包括谷歌、英特爾、英偉達、AMD等企業在ISCA上發表的多項研究成果均已成為芯片行業的標竿，ISCA入選論文的數量成為衡量企業芯片在處理器架構上研發實力的重要指標。
RISC-V：我國芯片指令集的逃生抓手
筆者一直十分關注國內芯片領域發展，而在我國自主芯片產業發展的道路上，除了要邁過光刻設備這道檻，芯片指令集的問題也亟待解決。
通俗的講芯片指令集，有點類似於各編程語言的語法規則，比如Java與C語言在語法上就是完全不同的類型，而在指令集方面，歷來都有CISC與RISC兩種風格的角力，其中CISC是指計算機的指令系統比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。因此，處理特殊任務效率較高。而RISC則是精簡指令集，主要盡力提高那些常用指令的運行效率，對不常用的功能，通過組合指令來完成。CISC與RISC各有優劣，沒有哪種風格能一統江湖。
不過IT其它領域的開放風格不同，在芯片方面，應用範圍最廣的X86基本不對外授權，而ARM不僅授費用超高，而且還經常爆出斷供的消息。比如去年就有傳言稱英國的Acorn有限公司不會對華為等國內企業進行Arm v9的授權，雖然後來ARM公司官宣稱會繼續保持與華為的合作，不過這樣的風險與不確定性，也著實讓我們對國內的芯片企業捏一把汗。
而RISC-V恰恰就是一個完全開源的指令集，而且最關鍵的是其使用非常寬鬆的BSD協議，使用者完全自由免費使用，同時也容許添加自有指令集拓展而不必開放源代碼，以實現差異化發展。
RISC-V是基於精簡指令集計算(RISC)原理建立的開放指令集架構（ISA），其中V代表羅馬數字5，表示為第五代RISC指令集。而每一代RISC處理器其實都是由David A. Patterson教授在加州大學伯克利分校實驗室完成的。RISC-V基金會於2015年發起併成立，至今已有150多個企業或單位加入，包括谷歌、阿里、華為、英偉達、高通、麻省理工學院、普林頓大學、中科院計算所等。近日該基金會的發言人 Mark Sinclair正式確認，RISC-V 基金會已經完成在瑞士的註冊，目前正在考慮將基金會遷至中立國瑞士，以確保美國之外的大學、政府及公司可不受政治影響使用開源的 RISC-V。可以說RISC-V是我們芯片產業發展突破的絕佳途徑。
從技術角度來看RISC-V的主要特點如下：
架構簡單：RISC-V架構秉承RISC簡潔至上的設計理念。記得十幾年前筆者還在嵌入式領域工作，彼時基於ARM9的24x0系列芯片剛剛問世，但是其手冊之龐大複雜，學習曲線之陡峭，令人至今不堪回首。
像ARM架構的商用芯片，需要保持架構的向前兼容，只能保留許多不常用的指令，導致指令集整體冗餘嚴重，可以說ARM已經漸漸變成穿著RISC馬甲的CISC處理器了。不過在這方面RISC-V完全沒有歷史包袱，其基礎指令集則只有40多條，加上其他的模塊化擴展指令也不到100條，官方文檔僅有100多頁。
易於移植：現代操作系統都做了特權級指令和用戶級指令的分離，特權指令只能在操作系統調用，而用戶級指令才能在用戶模式調用，保障操作系統的穩定。RISC-V提供了特權級指令和用戶級指令，同時提供了詳細的RISC-V特權級指令規範和RISC-V用戶級指令規範的信息，使開發者能非常方便的移植Linux和Unix系統到RISC-V平臺。
模塊化設計：RISC-V能夠支持以模塊化的方式組織芯片，用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，來實現自己定製化設備的需要，比如針對於小面積低功耗嵌入式場景，用戶可以選擇RV32IC組合的指令集，僅使用Machine Mode（機器模式）；而高性能應用操作系統場景則可以選擇譬如RV32IMFDC的指令集，使用Machine Mode（機器模式）與User Mode（用戶模式）兩種模式。
當然RISC-V劣勢也很明顯，比如RISC-V雖有完善且開源的編譯器、開發工具和IDE，但是和ARM的商用編譯器和IDE相比，還不夠完善。而且RISC-V的歷史太短，整個行業對於RISC-V芯片的設計經驗其實都還比較欠缺。
玄鐵910：地表超強的RISC-V芯片
阿里的平頭哥在芯片領域取得的進展總能給我們帶來驚喜，比如2019年烏鎮大會上臺無劍100芯片平臺就重磅開源；其AI芯片含光800的算力相當於10顆GPU，推理性能達到78563 IPS，能效比500 IPS/W，相比傳統GPU算力，性價比提升100%。而基於RISC-V的玄鐵910處理器，擁有16個核心，12nm製程，主頻2.5GHZ，並且業界率先將多發射亂序內存訪問技術引入RISC-V，性能也隨之大幅提升40%。
而本次入選ISCA的論文，全面闡述了玄鐵910的設計方法。玄鐵910為平頭哥首款產品，它是目前業界性能最強的RISC-V處理器。論文論述了玄鐵910將多發射亂序內存訪問以及自適應混合分支處理、多通道、多模式數據預取等技術的實現細節。可以說玄鐵910完全突破了之前RISC-V的性能極限，可以滿足人工智能、網絡通訊、自動駕駛等高性能場景的需求。
國產芯片產業迎來春天
大國之間的較量本質上是科技的較量，知識產權的較量，而我們的高科技產業想要自主發展，避免西方國家卡住脖子，就必須要找到突破點，而玄鐵910恰恰就是我們彎道超車的標竿。正如我們前文所說ISCA大會中的入選論文，往往行業的風向標，阿里平頭哥本次三篇入選論文，標誌著其在芯片上的創新能力達到國際領先的水平，相信我們的芯片產業即將迎來春天。
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