RISC-V一直以其開(kāi)源特性而備受業(yè)界關(guān)注。不過(guò)，一直以來(lái)，RISC-V相關(guān)IP主要集中在CPU領(lǐng)域，而事實(shí)上，它也可以用在GPU領(lǐng)域。

你我都知道，GPU領(lǐng)域幾乎被一兩家企業(yè)所統(tǒng)治，這是因?yàn)镚PU領(lǐng)域生態(tài)是最大的壁壘。加之專(zhuān)利門(mén)檻極高，GPGPU（通用GPU）IP在圖形處理領(lǐng)域一直不溫不火。

最近幾年，大家都探索通過(guò)擴(kuò)展和改寫(xiě)RISC-V CPU指令集，做GPU。

全世界都在研究RISC-V GPU架構(gòu)

事實(shí)上，全世界都不想看一兩家廠(chǎng)商壟斷市場(chǎng)，都在想辦法做各種開(kāi)源GPU架構(gòu)，這其中既包含較老的指令集或是中間語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，有些則基于RISC-V CPU指令集進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)GPGPU的功能。

2021年，喬治亞理工研究了一種支持CUDA的RISC-V GPU架構(gòu)——Vortex。

前幾日，一個(gè)成立于2022年的美國(guó)公司X-Silicon發(fā)布了其開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)、低功耗的C-GPU架構(gòu)。

根據(jù)介紹，C-GPU架構(gòu)將打造成為開(kāi)源、統(tǒng)一的RISC-V 矢量 CPU-with-GPU ISA 架構(gòu)，C-GPU采用NanoTile架構(gòu)，X-Silicon將這種CPU/GPU混合處理器稱(chēng)為“萬(wàn)能處理器”。其處理器專(zhuān)為動(dòng)態(tài)內(nèi)容最佳管理和渲染而設(shè)計(jì)，并超越傳統(tǒng)GPU限制。

翻譯翻譯就是把基于RISC-V架構(gòu)的CPU和GPU放在同一個(gè)核內(nèi)。

國(guó)內(nèi)方面，上海清華國(guó)際創(chuàng)新中心集成電路研究平臺(tái)推出的首款基于RISC-V向量擴(kuò)展（RVV）的GPGPU“Ventus（乘影）”，是國(guó)內(nèi)首個(gè)開(kāi)源GPGPU，也為后續(xù)協(xié)同企業(yè)開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)全自主GPU商用產(chǎn)品的路上邁出關(guān)鍵一步。

根據(jù)官方信息顯示，RVV GPGPU參考RISC-V CPU開(kāi)發(fā)思路，在滿(mǎn)足SIMT基礎(chǔ)功能同時(shí)，汲取RISC-V向量擴(kuò)展在功能定義和指令設(shè)計(jì)上優(yōu)勢(shì)，將二者有機(jī)結(jié)合，使乘影同時(shí)具備向量處理器工具鏈兼容性和GPGPU編程靈活性。

陳巍博士解讀，乘影主體大框架借鑒GPGPU的結(jié)構(gòu)，每個(gè)流多處理器（Streaming Multiprocessor，SM）主體結(jié)構(gòu)接近于RISC-V。后端執(zhí)行則直接使用處理器中常用ALU、FPU、LSU。為了讓SM能夠完成GPGPU工作，乘影里添加了SIMT-stack和SFU這類(lèi)GPU中的常見(jiàn)功能模塊。

2024年2月，芯瞳成功開(kāi)源了一款基于RISC-V指令集的GPU處理器模型RVGPU，這是芯瞳在RISC-V + GPU方向持續(xù)研究取得的重要突破。

根據(jù)官方介紹，RVGPU采用SIMT（單指令多線(xiàn)程）技術(shù)，現(xiàn)已成功實(shí)現(xiàn)對(duì)CUDA（Compute Unified Device Architecture）的兼容支持，包括CUDA編譯器和運(yùn)行時(shí)環(huán)境。除此以外，RVGPU的架構(gòu)指令CModel仿真模型允許開(kāi)發(fā)者在模擬環(huán)境中模擬GPU的各種指令和行為。

綜合來(lái)看，上述產(chǎn)品均基于LLVM開(kāi)源工具鏈完成GPGPU編譯器的開(kāi)發(fā)，支持OpenCL開(kāi)源并行編程框架。

可見(jiàn)，所有廠(chǎng)商都有著一個(gè)共同的目標(biāo)，那就是建設(shè)一個(gè)開(kāi)源GPU生態(tài)。

不過(guò)，總的來(lái)說(shuō)，GPU是一個(gè)非常復(fù)雜的產(chǎn)品，絕不僅僅只是一個(gè)開(kāi)源GPU就能夠與現(xiàn)有玩家五五開(kāi)的，未來(lái)還依賴(lài)大量的研發(fā)與投入。


跨越專(zhuān)利、生態(tài)門(mén)檻是關(guān)鍵

目前的RISC-V可以說(shuō)是初入 GPU賽道，未來(lái)能否取得更好表現(xiàn)，業(yè)界也在關(guān)注。David Harold就表示，GPU確實(shí)是一個(gè)很難的賽道，如果不是這么多專(zhuān)利保護(hù)起來(lái)，不會(huì)看到現(xiàn)在世界上只有為數(shù)不多的幾家GPU。RISC-V肯定也會(huì)面臨這些困境，很難克服這種挑戰(zhàn)。只有完全克服這些挑戰(zhàn)才能成為大家更加認(rèn)可的開(kāi)源GPU。

生態(tài)也是RISC-V未來(lái)發(fā)展過(guò)程中面臨的重要挑戰(zhàn)。無(wú)論是x86、ARM，還是早期市場(chǎng)上的MIPS、PowerPC等芯片架構(gòu)，決定競(jìng)爭(zhēng)成敗的都不僅是產(chǎn)品性能本身，還包括是否具有豐富的上層應(yīng)用，以及高效的軟硬協(xié)同。平頭哥半導(dǎo)體副總裁孟建熠指出：“RISC-V將繼續(xù)向高主頻、高性能演進(jìn)。而隨著穩(wěn)定硬件的出現(xiàn)，軟硬件全棧成為必然。同時(shí)，RISC-V將走向更廣的生態(tài)合作，在商業(yè)合作上涌現(xiàn)更多新模式，軟件持續(xù)豐富，應(yīng)用不斷多樣化。這是未來(lái)RISC-V發(fā)展的大趨勢(shì)?！?/span>

那么，下一步RISC-V廠(chǎng)商就應(yīng)當(dāng)積極加強(qiáng)自身產(chǎn)業(yè)生態(tài)的營(yíng)造，使上層的軟件與應(yīng)用豐富起來(lái)。Imagination 公司技術(shù)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Stephen Barton指出：“GPU其實(shí)是一個(gè)很復(fù)雜的東西，不光是硬件開(kāi)源了就可以直接為大家所使用，還要有相應(yīng)的DDK（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序套件）和應(yīng)用軟件。這些軟件和DDK的開(kāi)發(fā)是否是開(kāi)源硬件同來(lái)源的公司提供的？?jī)?yōu)化程度如何？能不能完整地支持各種不同的接口和各種Open GL（開(kāi)放圖形庫(kù)）？這些都是很復(fù)雜的事情，絕不是一句簡(jiǎn)單的開(kāi)源就完事的，還有大量細(xì)致的工作要做，還有許多挑戰(zhàn)要面對(duì)?！?/span>

David Harold也承認(rèn)，現(xiàn)在有很多與RISC-V相關(guān)的IP供應(yīng)商，但能提供GPU IP的并不多。對(duì)RISC-V來(lái)說(shuō)，GPU是一個(gè)相對(duì)新的領(lǐng)域，更加需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的企業(yè)共同攜手，才能取得突破。但是，中國(guó)科學(xué)院軟件研究所總工程師武延軍也強(qiáng)調(diào)：“雖然目前RISC-V還局限在一些對(duì)算力和軟件生態(tài)豐富程度要求不那么高的領(lǐng)域，但是它的商用時(shí)機(jī)已經(jīng)到了，以此為起點(diǎn)今后它的加速度是驚人的。”


用RISC-V做GPU，有好也有壞

用RISC-V做GPU，有人拍手叫好，也有人覺(jué)得多此一舉。

覺(jué)得它好的人，認(rèn)為RISC-V可以直接套用RISC-V的生態(tài)，不需要完全自建GPU生態(tài)，規(guī)避了與CUDA的專(zhuān)利對(duì)決。畢竟這是個(gè)開(kāi)源的GPU IP，大家都加入到開(kāi)源建設(shè)的大家庭，就能夠彌補(bǔ)GPU生態(tài)不足，也不容易踩到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的坑。

與此同時(shí)，每個(gè)SM核的獨(dú)立性更好，可以執(zhí)行比常規(guī)GPU CUDA核更復(fù)雜的計(jì)算。如果加上MMU，未來(lái)甚至可以在每個(gè)SM核上跑操作系統(tǒng)，非常有利于虛擬化。

覺(jué)得它不好的人，認(rèn)為目前的RISC-V GPU產(chǎn)品，都是目前NVIDIA的GPU的形似物，設(shè)計(jì)沒(méi)有什么太大差別，而HBM這樣的器件八成是用不起的，其它諸如Nvidia GPU里面的Texture Unit也是缺失的。

更何況，CUDA這樣的生態(tài)是很難跨越的鴻溝。有大佬曾言：“如果你看一下GPU的生態(tài)系統(tǒng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)工具鏈?zhǔn)怯蒒VIDIA控制的，包括AMD在內(nèi)的其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都試圖打破壟斷，但失敗了。通過(guò)擴(kuò)展RISC-V標(biāo)準(zhǔn)指令集，幾乎不可能與不斷更新的NVIDIA生態(tài)系統(tǒng)兼容。另一方面，也很難重新開(kāi)始，因?yàn)橛ミ_(dá)擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。”

所以，對(duì)于大部分RISC-V GPU來(lái)說(shuō)，支持CUDA生態(tài)至關(guān)重要，我們也看到許多廠(chǎng)商確實(shí)也是這樣做的。因?yàn)殡m然通過(guò)LLVM可能只需要重構(gòu)compiler后端，但性能好不好就是另外一回事了。

還有比較激進(jìn)的觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為從RISC-V開(kāi)始做GPU，不如直接從白紙開(kāi)始做。他們認(rèn)為，要使基本的RISC-V指令集適應(yīng)GPU任務(wù)，需要大量投資來(lái)定義自定義ISA擴(kuò)展，構(gòu)建高度復(fù)雜的微架構(gòu)更改，并對(duì)開(kāi)源工具進(jìn)行大手術(shù)，使它們幾乎與原始工具相似。這樣一來(lái)，使用RISC-V的幾乎所有潛在價(jià)值，都被定制架構(gòu)比下去了。

就連上海交大也曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“我們想做的是一個(gè)獨(dú)立完整的GPGPU架構(gòu)和指令設(shè)計(jì)，而不依賴(lài)于現(xiàn)有RISC-V CPU開(kāi)源指令，這樣才能更完備地打造和融入原生的GPGPU生態(tài) ，從而與現(xiàn)有的各種CPU系統(tǒng)無(wú)縫銜接?！彼砸虼耍麄冏隽恕扒嗷ù伞边@樣一個(gè)定制的開(kāi)源GPGPU架構(gòu)。