深入探索RISC-V处理器架构背景 思尔芯助力“香山”不断演进

引言

近年来，基于RISC-V架构的处理器逐渐崭露头角，引起了业内的广泛关注。其中，由国人主导的“香山”RISC-V处理器备受关注。无论是一代、二代，还是即将到来的三代，开芯院都采用了思尔芯芯神瞳原型验证解决方案，加速其技术的演进与应用落地。接下来，本文将深入探索RISC-V架构背景、“香山”及思尔芯与“开芯院”在此项目中的协同创新经验。

100亿颗RISC-V处理器一半来自中企

根据RISC-V基金会的数据，截至2022年底，全球RISC-V处理器的出货量已达到100亿颗，其中近一半来自中国。这显著的成绩背后，得益于中国的科研机构和开发者在RISC-V技术、应用以及系统整合领域的不懈努力。他们的努力不仅赢得了国际基金会的认可，更受到了全球开发者的关注和尊重。

值得特别提及的是“香山”团队，他们基于RISC-V的芯片设计和创新在业界有着独特的地位。“香山”RISC-V，作为一个由中国科学院计算技术研究所孕育出的开源RISC-V处理器项目，意义重大。中国选择自主研发RISC-V处理器的动因多种多样：

技术主权：在国际技术舞台上，核心技术和知识产权的掌握至关重要。特别是在半导体和处理器领域，拥有关键技术意味着能够避免外部的技术封锁和贸易摩擦带来的风险。

开源与透明：RISC-V作为一个开源的指令集，允许自由修改和定制。这种架构的透明性为构建强大的开发者社区提供了基础，同时也赋予了研发者更高的自由度。

创新空间：RISC-V的模块化和可扩展特性为硬件和软件的创新开辟了新的道路。这使得企业和研究机构能够根据具体需求，进行处理器的精细定制。

经济价值：国内技术的持续进步助推了半导体产业的繁荣，为国民创造了更多的工作机会，同时提高了技术的附加值，降低了对外国技术的依赖度。

安全保障：在关键信息技术和基础设施中部署国产技术能够增强对其的信赖，确保敏感数据的安全性。

5月26日，在2023年中关村论坛“RISC-V开源处理器芯片生态发展论坛”上，第二代“香山”（南湖架构）开源高性能RISC-V处理器核作为中国科学院“先导”项目成果发布。

思尔芯助力“香山”不断演进

“香山”一直在不断地演进和发展。在2021年，它的第一代产品——雁栖湖架构，基于RV64GC指令集架构正式亮相。这个设计，在处理器架构的基础上对性能进行了优化，使速度和效率达到了很好的平衡。

紧接着，2022年，第二代“香山”——南湖架构也隆重登场，于2022年6月份正式启动工程优化，于2022年9月研制完毕，已于2023年6月流片。这一代产品采用了14nm制程技术，核心频率达到了2 GHz，并且具备了10/GHz的SPECCPU评分。其综合性能超越了ARM的Cortex-A76。

“香山”不仅仅是性能强大，它在应用领域的适用范围也非常广泛。无论是工业控制、汽车、通信、数据中心还是计算设备，它都能够胜任。其通过PCIe、USB、HDMI等接口与各种设备无缝连接，这使得它受到了广大市场的关注和欢迎。

从“香山”的第一代到第三代，背后的技术支撑与演进都离不开上海一家EDA公司的身影——思尔芯（S2C）。这家在EDA领域拥有深厚积累的公司，近期刚荣获了国家级“专精特新”小巨人企业奖和“中国芯”优秀支撑服务产品奖。作为国内首家数字EDA供应商，思尔芯自2004年在上海设立总部以来，一直专注于集成电路EDA领域。更值得一提的是，2023年初，它的原型验证产品被工信部列为“2022年工业软件优秀产品”。正是这款被工信部认证的优秀工业软件在“香山”项目上发挥了至关重要的作用。

“香山”+思尔芯：强强联手，协同创新

在集成电路和微处理器设计中，原型验证是不可或缺的一环。它涉及到在真实硬件上验证设计的功能、性能和可靠性。为了应对“香山”项目中所面临的技术挑战，思尔芯为“香山”提供了一个针对性的原型验证解决方案：芯神瞳VU19P原型验证系统。其灵活与可扩展的架构体系，可满足不同设计容量、应用程序和设计阶段的需求，使“香山”能够更加高效地完成SPEC跑分验证、IO验证以及BSP驱动的开发等工作，涵盖了从硬件设计到软件集成的整个生命周期的不同方面。

01

SPEC跑分验证

SPEC是一个非盈利组织，旨在为新的计算系统提供一组业界标准的基准测试。这些基准测试（通常称为“跑分”）用于测量和评估系统的性能。在硬件设计中，一旦有了原型或早期版本的设计，就可以使用SPEC基准测试进行跑分，从而验证预期的性能是否得到实现。基于思尔芯的芯神瞳，“香山”团队运行了SPEC基准测试，通过结合显卡运行Linux和图形界面，以直观地评估其性能。这为团队提供了宝贵的反馈，可以据此进行优化以达到或超过预期的性能标准。目前，第二代“香山”（南湖架构）的SPEC2006得分为20分，超越了2018年的ARM Cortex-A76。

02

IO验证

IO（输入/输出）验证是确保芯片与外部环境（如其他芯片、系统等）之间的通信是正确的和高效的过程。思尔芯的芯神瞳便为“香山”提供了一个实际的环境，用于测试和验证所有输入/输出通信通道。这确保了“香山”与其他硬件组件，如内存、存储和其他接口的完美集成和通信。在验证系统的搭建中，“香山”团队使用了思尔芯的PPM、GMAC、PCIe等子卡和接口，系统整体运行速率为50MHz。而各接口则按照它们各自的标准频率与“香山”系统进行了对接。

03

BSP驱动开发

BSP（Board Support Package）驱动开发是确保软硬件顺畅交互的关键桥梁。利用原型验证技术，开发者可以直接在真实硬件上进行BSP的开发和测试，保证软硬件的紧密协同，从而提高开发效率和准确性。随着“香山”处理器的硬件设计在思尔芯原型验证系统上稳定实现，其软件团队立即展开BSP驱动的研发。这不仅让软硬件团队实现并行开发，而且确保软件在真实硬件环境中得以优化。这种早期介入策略让软件团队更深入地了解硬件特性和限制，为“香山”在最终流片前确保硬件设计并加速软件开发奠定了基础。

“香山”高赞思尔芯，共推RISC-V生态繁荣

“香山”无疑是国际领先的高性能RISC-V处理器核。为保持这一地位，选择合适的合作伙伴对至关重要。开芯院表示：“思尔芯的原型验证系统不仅为我们提供了一个在真实硬件环境进行测试和验证的平台，还助力项目从性能评估到软硬件集成的每一个关键步骤。这无疑为我们‘香山’项目的成功奠定了坚实的基础。之所以选择思尔芯，是因为他们的技术稳定持久，服务响应速度快，产品经过长时间验证，稳定且成熟。这为我们的项目注入了巨大的推动力。”

RISC-V技术正凭借其开放性、高效性和卓越的可扩展性，重新定义计算的未来。它不仅提供了自主供应链的机会，还加速了技术的迭代。而这种开放协作模式也带来了无尽的机遇和挑战。

在今年的第三届RISC-V中国峰会上，中国工程院院士倪光南在峰会致辞中表示，中国愿意拥抱开源，和世界协同创新，鼎力打造强大繁荣的RISC-V生态，有力支撑RISC-V跻身于世界主流CPU行列。

与此同时，思尔芯副总裁陈英仁也分享了他的观点，他提到：“思尔芯为RISC-V提供了涵盖微架构分析、系统整合、规范符合性测试以及软件性能评估的一系列优化解决方案。我们希望这些努力能助力整个生态系统更好地整合资源，进一步扩展RISC-V的社区，并共同推动这一新生态的快速发展。”

审核编辑：刘清