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巨头助力RISC-V走向高性能计算

分享于 2022-06-02 17:31:55
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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自tomshardware,谢谢。

本周,英特尔和巴塞罗那超级计算中心 (BSC) 表示,他们将在一个实验室投资 4 亿欧元(约合 4.26 亿美元),该实验室将开发基于 RISC-V 的处理器,该处理器可用于构建 zettascale 超级计算机。

然而,该实验室将不仅仅专注于下一代超级计算机的 CPU,还将关注用于人工智能应用和自动驾驶汽车的处理器。 

该研究实验室预计将在西班牙巴塞罗那成立,并将在 10 年内从英特尔和西班牙政府获得 4 亿欧元。联合研究实验室的根本目的是开发基于开源RISC-V指令集架构(ISA)的芯片,可用于广泛的应用,包括人工智能加速器、自动驾驶汽车和高性能计算.。

联合实验室的成立并不意味着英特尔将在实验室开发的基于 RISC-V 的 CPU 用于其第一代 zettascale 超级计算平台,而是表明该公司愿意对 RISC-V 进行额外投资。毕竟,去年英特尔试图收购 RISC-V CPU 的领先开发商 SiFive,并且是支持 ISA 的非营利组织 RISC-V International 的顶级赞助商之一。  

虽然大约 2130 万美元是一笔可观的资金,但英特尔将在未来几年投入更多资金用于其基于 x86 的产品,因此在 RISC-V 处理器上的支出并不意味着对 x86 设计的关注度降低。相反,在整个历史上,英特尔在非 x86 架构上投入了数亿美元(包括 1980 年代基于 RISC 的 i960/i860 设计,2000 年代的 Arm,以及 1990 年代和 2000 年代基于 VLIW 的 IA64/Itanium) . 最终,这些架构被放弃了,但为它们开发的技术进入了 x86 产品。 

凭借其 RISC-V 的努力,英特尔可以用一块石头杀死几只鸟。首先,假设联合实验室的工程师设法设计出一种更适合 ZettaFLOPS 级超级计算机的 CPU 技术。在这种情况下,英特尔将能够将其用于其产品。作为额外的奖励,英特尔的代工服务部门可能会成为联合实验室开发的 CPU/SoC 的首选晶圆厂。

英特尔超级计算事业部副总裁兼总经理 Jeff McVeigh 表示:“高性能计算是解决世界上最具挑战性问题的关键,我们英特尔有一个雄心勃勃的目标,即向 HPC 的 zettascale 时代冲刺。” “巴塞罗那超级计算中心与我们对这一目标有着共同的愿景,同时强调可持续性和开放的方法。我们很高兴能与他们合作,踏上这段旅程。” 

去年,英特尔为自己设定了一个雄心勃勃的目标,即到 2027 年建成 ZettaFLOPS 级的超级计算机平台,这意味着在大约五年内将超级计算机的性能提高 1000 倍。该公司表示,它需要新的计算架构、新的系统架构、高速内存和 I/O 接口、新颖的制造技术和复杂的芯片封装方法等。该公司从根本上提高计算性能的方法之一是构建一个将公司的 x86 通用内核与 Xe-HPC 计算 GPU 相结合的架构。第一个使用这个概念的产品已经在开发中。 


欧盟发力用于HPC的RISC-V芯片


欧洲处理器计划 (EPI) 已成功完成其第一个为期三年的阶段,为超级计算机和汽车提供多核芯片设计。

该项目突出了 Rhea 通用处理器从 ARM 向 RISC-V 的转变、RISC-V 加速器概念验证和用于汽车应用的嵌入式高性能微控制器。

该项目有来自10个欧洲国家的28个合作伙伴,旨在使欧盟在高性能计算(HPC)芯片技术方面实现独立。 

第一阶段 SGA1 的成功完成,为该项目的第二部分铺平了道路,该项目将于 2022 年 1 月启动。 

通用处理器 (GPP) 的初始设计称为 Rhea,在 Linley 会议上描述了 72 个 ARM Zeus 处理器。

法国超级计算机制造商 Atos 是通用处理器 (GPP) 流的主要合作伙伴,与 SiPearl 合作。他们定义了 Rhea 的架构规范,它现在有 29 个内核,使用 RISC-V 开放指令集架构,并且在仿真中处于 RTL 级别,而不是在硅中实现。该设计旨在用于 2023 年的超级计算机设计。

该项目表示:“凭借 29 个 RISC-V 内核,SiPearl 用于设计 Rhea 的 Arm Neoverse V1 架构将为 HPC 应用程序提供有效、可扩展和可定制的解决方案。” “架构决策是遵循协同设计方法并通过分析高级知识产权 (IP) 块的性能而做出的。

SiPearl 还优化了可扩展的片上网络 (NoC),以实现内核、加速器、输入/输出 (IO) 和共享内存资源之间的高频、高带宽数据传输。”

“我们为利用欧洲大学和行业领导者独家构建和部署的尖端技术和 IP 成功设计强大的 GPP 感到自豪。我们有信心,我们很快就会证明这个 GPP 在实现欧洲百亿亿级计算机器方面的重要作用,这是世界期待的 HPC 领域的下一个突破,”Atos 的 Stream 负责人 Emmanuel Ego 说。

“随着 Rhea 处理器的发布,我们都将为确保欧洲在 HPC 应用(例如个性化医疗、气候建模和能源管理)方面的主权做出贡献。” – SiPearl 的创始人兼首席执行官 Philippe Notton 说。

就 GPP 性能而言,内存控制器是最关键的 IP 之一。为了帮助评估架构选择,CEA 开发了一个带有特定仪器的完整仿真平台,用于分析驱动高带宽 HBM2E 存储器的控制器效率。由于对所有内存命令和数据进行解码和跟踪,该平台允许对内存设备接口进行有效分析。HBM2E 子系统使用针对不同流量形状的多个随机和指令模式进行仿真,并涉及所有控制器功能以保持 HBM2E 效率。

该流还设计了许多最先进的嵌入式安全功能和关键技术。其中包括由 ProvenRun 开发的独立安全管理系统 (SMS) 安全 IP,为 HPC 和边缘处理器提供高级、通用标准认证的主权安全 IP。

比萨大学贡献了一组加密 IP,称为“Crypto Tile”,由 SiPearl 集成到 Rhea GPP 中。这为硬件安全模块提供了针对高端对称(具有九种密码模式的 AES)、非对称(ECC、ECDSA、ECIES、ECDH)和散列 (SHA2/SHA3) 加密的完整安全服务,提供了几个数量级的吞吐量增加并且与软件解决方案相比降低了能源成本。

Crypto Tile 还包括安全密钥存储和安全 IP 配置、侧信道攻击保护、片上真随机数生成 (TRNG)、Linux 内核驱动程序支持、最大安全级别的极端密钥长度和高速 en(de)得益于面向 DMA 和 Arm 或 RISC-V 可编程内核的基于 AXI4 的接口,从而提高了加密吞吐量。由于Crystals Kyber 和 Dilithium 等 Lattice 算法的实时实现,还提供了后量子加密支持。

欧洲处理器加速器 (EPAC) 测试芯片概念验证使用开源指令集架构 (ISA) 确保不受专有许可和出口限制的影响,有助于扩展 RISC-V 生态系统并添加到 LLVM 编译器数据库。

EPAC 系统和 FPGA 软件开发工具充分利用 Linux 操作系统,并为社区提供补丁、设备驱动程序以及 OpenMP 和 MPI 等流行开源 HPC 软件包的附加功能。此外,STX(模板/张量加速器)等硬件部分是使用围绕 PULP 平台获得许可的开源方法开发的。

“EPI 中的加速器流有力地证明了 RISC-V 矢量方法具有改变高性能计算领域的潜力,欧洲设计的架构能够在低能耗预算下提供高性能,”Stream Leader Jesús Labarta 评论道(巴塞罗那超级计算中心)。“这项工作还体现了欧洲开放科学与合作的传统。欧洲各地的合作伙伴联手创造了任何单一组织都无法单独实现的目标。通过与开源技术和项目合作,EPAC 流帮助扩展了 RISC-V 生态系统,使这项技术在未来越来越多的应用程序中可行。”

由 BSC 和 UNIZG 设计的 EPAC 矢量处理单元 (VPU) 表明,使用 RISC-V 长矢量架构进行高性能计算是一种可行的方法,在低能耗预算下提供高性能,并且可以将来扩大规模。

矢量单元由 Semidynamics 的矢量专用 Avispado RISC-V 内核和用于节能处理的 Gazzillion Misses 技术驱动。

由苏黎世联邦理工学院和弗劳恩霍夫设计的专用且灵活的基于 RISC-V 的众核模板和张量加速器 (STX),利用模板处理单元为机器学习和模板工作负载提供卓越的能效和可编程性。

同时,由 CEA 设计的可变精度加速器 (VRP) 提高了科学高性能计算应用(如多物理场仿真)的效率和可靠性。

EPAC 测试芯片还包括由 FORTH 和 CHALMERS 设计的多个分布式共享 L2 缓存和一致性家庭节点 (L2HN),针对矢量处理单元的高带宽要求进行了优化,同时提供了有助于多-核心可编程性。

所有处理单元和共享的 L2HN 组都通过高速 NoC 以模块化方式连接,允许系统扩展。该测试芯片还包括先进的 SERDES 技术,可实现超高带宽的片外和跨芯片通信。NoC 和 SERDES 均由 Extoll 设计。

用于测试 EPAC 测试芯片的 PCB(子板)是由 E4 Computer Engineering 设计和开发的。

在汽车微控制器领导者英飞凌的协调下,Automotive Stream 为可上路的自动驾驶汽车铺平了道路,这要归功于创新嵌入式高性能计算 (eHPC) 平台和相关软件开发套件 (SDK) 的概念验证. 该平台与小型化的、为汽车量身定制的通用处理器相结合,以具有成本效益、经济可行和功能安全的方式满足未来汽车对计算能力日益增长的需求。

“总的来说,这些成就证明了合作、协同作用和团队精神,这些都是汽车行业研究工作的特点”,Stream Leader Knut Hufeld(英飞凌)说。“凭借其专注于具有成本效益、安全和经过认证的汽车解决方案,它可以被视为欧洲处理器在 HPC 领域整体盈利的驱动带。”

主要成就在一辆获得道路批准的 BMW X5 汽车上展示,展示了开创性 eHPC 微控制器单元 (eHPC MCU) 的概念验证,该单元集成在一个专门设计的灵活模块化计算平台 (MCP) 中,以及多个 EPI 技术 IP。进行了大量试驾以收集数据并评估涉及自动驾驶参数的测试场景。

除其他功能外,该平台还包括支持 AI 的集成摄像头和 Elektrobit 雷达成像分析软件,并为在系统中使用 EPI 加速器进行了集成准备。这是 Stream4 中 16 个合作伙伴密切合作的结果,旨在实现其指定合适的 eHPC 平台、定义其架构和开发必要的软件开发工具包 (SDK) 的目标。

英飞凌还在架构和性能方面扩展了汽车微控制器,使其可以作为主控器控制一个或多个加速器。相关方面是安全性、安全性、回退或减少应用程序的冗余,就系统级的最高汽车安全完整性等级 D (ASIL D) 而言,这是自动驾驶应用程序所需的。

该平台具有可扩展性和开放性,适用于未来汽车版本的 EPI 通用处理器、基于 EPAC RISC-V 的加速器以及用于 eHPC 的 Kalray 大规模并行处理器阵列 (MPPA) 加速器tile(作为 IP 开发)的插槽。

测试运行表明,EPI 现在拥有适用于至少 4 级自动驾驶的特定技术。

除了硬件平台,该流还包括开发完整的软件生态系统,在很大程度上基于汽车软件专家 Elektrobit 的软件产品。该领域还包括汽车 eHPC 平台软件堆栈,包括针对汽车 eHPC MCU 的经典汽车开放操作系统架构 (AUTOSAR) 开发,以及针对汽车应用至关重要的 HPC GPP 和 L4Re 管理程序(虚拟化)的自适应 AUTOSAR 开发。

为软件锁步共同创建了一个特定的概念,从而有助于整体 EPI 安全概念。

在这个三年的初始阶段之后,结果和发现将在进一步的项目中继续进行。

“我为 EPI 团队在仅仅三年的合作后取得的杰出成果感到自豪,为欧洲的技术主权铺平了道路。尽管由于可怕的 COVID-19 大流行造成了前所未有的工作条件,但我们以有限的预算按时实现了目标,这给我留下了特别深刻的印象。这为下一阶段的启动及其成功交付欧洲百亿亿级系统的前身 EUPEX(欧洲百亿亿级试点)和 TEP(欧洲试点)项目的欧洲处理器和加速器创造了有利条件,”EPI 董事会主席 Monchalin (Atos) Eric Monchalin (Atos)。


RISC-V International CTO谈RISC-V的机遇与挑战


在半导体短缺和贸易战中,来自 Arm 和 x86 的芯片技术受到了最多的关注。但与此同时,开源 RISC-V 芯片架构正在悄悄地成为一种可行的第三种架构,因为它更便宜、更灵活且不会轻易被政治影响。

RISC-V 通常被称为芯片 Linux,工程师合作设计、设置和改进架构。RISC-V International 制定了规范,该规范可免费获得许可,芯片设计人员可以在他们认为适合其处理器和片上系统的情况下自由实施它。

中国和欧洲正在向 RISC-V 迁移本土芯片,以实现芯片主权。公司也在考虑使用 RISC-V 来降低与 Arm 和 x86 架构相关的许可和版税成本。

可以肯定的是,RISC-V 在 PC、服务器和手机中作为 x86 和 Arm 的可行替代方案出现可能需要很多年。但它在微控制器和 FPGA 方面有了一个良好的开端,并且带有 RISC-V 的单板计算机已经面世。它还得到了谷歌、苹果、亚马逊、英特尔、高通、三星和英伟达等公司的支持。

RISC-V International 的首席技术官 Mark Himelstein 与The Register早前就 RISC-V 及其进展进行了交谈。

Q:RISC-V 进展如何?

A:在 RISC-V 出现之后,人们正在做其他架构无法做到的事情。例如免费和灵活。他们不必支付任何额外的钱来定制它。我们利用社区和非常常见的东西。我们打破企业壁垒、国家壁垒、文化壁垒、时区壁垒,我们都分享这一点,因为我们是这个社区的一部分。

您可以在我们允许非标准扩展的特定领域进行创新。这是两全其美的。

Q:作为开源芯片的努力,您面临哪些挑战?

A:我们不像 Arm 和 x86 那样指令。我曾经为 Sun 运行 Solaris。我经营过其他大型组织。你告诉人们该做什么。你设定了一个目标,然后你就去做了。在这里,我们确保我们有一些成员可以使用的连贯内容,向前推进很重要。

我们引入了两个概念,一个称为配置文件,另一个称为通用平台。这是为了减少碎片。Profiles 是一组协同工作的指令,就像你看到的代际和其他架构一样。这些东西会告诉编译器和优化器等上游项目以及发行版,“嘿,针对这个配置文件,这是 2022 年的应用程序配置文件。这些说明一起工作。” 我们正在为操作系统做同样的事情,所以围绕平台做很多事情,比如发现、ACPI、SPI。

我们有一大堆单独的扩展,你可以采用也可以不采用,但没有一个团队说,“看,在这一代,这些都一起工作。在这一代,这些操作系统组件,这些都协同工作。” [2021 年] 我们有这些。这些都是新的,这非常令人兴奋。我们还没有完成。这是为了确保我们不会重复工作,尽可能多地分享并且不会分裂。

我们仍在学习贡献者文化如何在指令集架构中发挥作用,因为其中一些架构师正在定义这个 ISA,但与培育软件生态系统有关。我们必须确保编译器、库、操作系统都在那里,我们仍在学习如何做到这一点。

Q:RISC-V 会发生什么?

A:我们有一个很大的积压,我们正在淘汰它。接下来的事情是为下一代产品奠定基础。例如,我们的 AI-ML 特殊兴趣小组和我们的图形特殊兴趣小组都对高级矩阵运算感兴趣。这可能会在 2022 年开始开发。很多东西都位于加速器中,但不在核心架构中。你会看到一些东西开始上升。

谷歌刚刚成为高级高级会员。亚马逊正在研究 Greengrass。更不用说希捷、西部数据、英伟达、华为、阿里巴巴。生产真实产品的人正在发布真实的数字——到 2021 年将有数亿个基于 RISC-V 的内核。

Q:你在追求 GPU 吗?我认为人们只是想知道 RISC-V 上的游戏。Linux 上的游戏越来越好。

A:我们不一定要追求 GPU。我们追求同样的工作效果。我们有一群成员想要同样的东西。“让我们继续弄清楚在 RISC-V 上的图形成功需要什么,优先考虑工作并尝试首先完成其他工作。” 运行特殊兴趣小组或图形的人说阴影是最重要的。为了进行着色,您需要进行矩阵运算。与此同时,ML 的家伙们又来了,“为了做这些 ML 操作,我需要矩阵操作。” 我们正在结合这项努力。

Q:RISC-V 与 OpenSPARC 或 OpenPower 等其他开源芯片工作有什么区别?

A:如果他们背后的公司消失了,他们就会消失。他们不能独自存在。

如果你看看 Linux,当时有很多其他的操作系统是开源的。[Linux] 为什么成功?其中一部分是 Linus [Torvalds]。第二件事是,人们觉得他们拥有它。这不是推给他们的。他们拥有 Linux。RISC-V 也会发生同样的事情。人们觉得他们拥有 RISC-V,他们正在帮助实现它。

Q:在 RISC-V 上支持 Windows 是否有任何兴趣?安卓呢?

A:我和微软的人谈过。他们还没到。但它们在一堆 Linux Foundation 的东西中。当我们进入房间时,我们想做的就是成为优秀的工程师。Windows 是 RISC-V 的未来吗?大概。很快吗?可能不是。

谈论 Linux 的所有变体——Zephyr、FreeRTOS、Alpine——要容易得多——你在开源世界中看到的所有东西都将首先出现。人们很容易移植它们,因为工具链是相同的等等。我们已将结构设置为将来能够支持 Windows。但同样,这真的取决于社区想要什么。这就是我们花费时间和金钱的地方。

Android 10 在那里,[RISC-V 成员] 正在开发 Android 12。最终,谷歌从 Google Play 商店中赚钱。在某些手机制造商说我们正在这样做之前,[RISC-V] 将是二等公民。这就是它的工作方式。我们对此并不感到难过。Google 现在是首要成员——我们当然已经与他们讨论过 Android,这个生态系统只是需要时间。

Q:越来越多的非技术行业,如汽车,正在将芯片开发掌握在自己手中。RISC-V 适用于何处?

A:我不认为 [芯片开发] 是为了满足自身需求。我想你会看到人们与 RISC-V IP 提供商合作,比如 SiFive 或 Andes。很多这样的公司会接受你的要求并为你设计一些东西。或者他们会给你 IP,这样你就可以在 FPGA 上刻录它。EDA 工具出现了复兴,因此使用 RISC-V 处理器创建 FPGA 或进行一些专门处理的东西并抽出 FPGA 变得更加容易。这不那么令人生畏。

Q:有很多人想参与RISC-V,但实际上需要芯片的样品。

A:让我们把问题分开。有些人甚至需要真正的硬件来开发他们的系统或芯片,因为他们需要进行实验。从这个角度来看,今年是一个很大的转折点,因为那里有六个或更多的开发板。我们已经启动了一个种子计划,我们正努力在 2022 年 6 月之前向学者、早期采用者和发行版提供 1,000 个董事会。

我们在 RISC-V 网站上有 RISC-V 交易所。今天有很多分立的芯片、SOC、电路板、软件服务,任何人都可以利用。

Q:RISC-V 是关于削减成本的。您是否正在安排以低成本制造的 RISC-V 芯片?

A:我们在谈论板,你在谈论芯片。我们一直致力于在 Exchange 中增加更多人。我一直在招聘人才。我们是否有提供 RISC-V 服务的所有人?他们绝对不是。我们那里已经有一堆了吗?绝对地。我们会继续吸引人们并增加更多的人吗?是的。RISC-V Exchange 也获得了标签,因此您将能够搜索其中一些条目并找到您真正想要的内容。

Q:与 x86 和 Arm 相比,RISC-V 芯片的成本能否降低?

A:从成本的角度来看,无论您在做什么,都必须为芯片付费。这不会改变。很明显,像 x86 这样的地方,比如英特尔,你要为设计和芯片付费。

然后你有无晶圆厂的人,他们会卖给你一个设计,他们会去一些代工厂,可能是他们有关系的代工厂,你将根据数量进行谈判。这不会改变。这会让你付出代价。

我不能告诉你“如果你使用 Arm、RISC-V 和 x86,这就是在这个特定行业中部署这个特定部分的成本。” 它太复杂了。

我建议你回顾一下 Linux 作为这里的例子。获得Linux 是否比 AIX 便宜?你如何定价?我认为 Linux 的其他特性吸引了人们使用它。这是他们永远不会感到失控的感觉。有一种感觉,他们可以影响产品和行业。在 RISC-V 周围也是如此。



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