一款RISC-V CPU的誕生

公眾號記得加星標??，第一時間看推送不會錯過。

我（指代本文作者YIFTACH GILAD，nextsilicon創始人，下同）在英特爾工作了18年，從事處理器研發。我從未想過自己會組建一支優秀的團隊，并從零開始，采用全新的架構打造一款CPU。Arbel的這段經歷值得講述，我希望它能為高性能RISC-V產業開辟新的天地。

在我的職業生涯的大部分時間里，CPU 就是我的全部。我參與過架構、設計和執行等各個環節，近距離見證了構建高性能處理器核心所需的一切。這是計算機領域最艱巨的工程挑戰之一。它需要深厚的架構判斷力、多年積累的知識、一絲不茍的細節把控，以及一支經歷過只有真正的 CPU 團隊才能理解的錯誤教訓的團隊。

所以，當我第一次見到 Elad Raz 和 NextSilicon 的創始人時，他們告訴我他們想制造自己的 CPU 內核，我并沒有立刻說：“好主意。” 我以為他們在做夢。

NextSilicon 最初并非一家 CPU 公司。它是一家年輕的公司，致力于打造一種新型加速器，基于一種全新的數據流架構，該架構能夠根據正在執行的工作負載，通過軟件動態地重新配置硬件。在公司內部，我們稱之為軟件定義硬件。這一理念最終演變成了 Maverick，我們面向高性能計算和人工智能工作負載的加速平臺。當時的雄心壯志可謂無比宏大。

隨后，埃拉德提出了一個更具雄心的觀點：僅僅加速是不夠的。如果NextSilicon想要構建下一代計算基礎設施，我們不能僅僅構建加速器。我們需要掌控整個計算平臺，包括CPU、加速器、內存、網絡、軟件以及它們之間的交互方式。

為此，我們需要自己的處理器核心。不是小型嵌入式控制器，也不是“足夠好”的核心，而是真正的高性能處理器核心。

當時，我認為這幾乎是不可能的。并非因為這個想法本身有問題，而是因為我深知它的真正含義。打造一款具有競爭力的CPU核心并非幾個聰明人憑空捏造就能完成的。它需要領域專業知識，需要微架構經驗，需要嚴謹的驗證流程，需要對物理設計進行深入研究，需要軟件支持，還需要耐心。

這還需要信譽。

人類的挑戰

說服優秀的CPU工程師加入這項任務并非易事。他們中的許多人曾在大型處理器公司工作多年，深知其中的艱巨性。他們也知道有多少公司嘗試過卻以失敗告終。他們明白，所有關于CPU的演示文稿在幻燈片上看起來都很完美，而真正的芯片才能揭示真相。

所以，挑戰不僅在于技術，還在于人。

我們必須讓人們相信這不是天方夜譚。我們必須讓他們相信，一個精干的小團隊，只要組建得當，就能完成通常需要更大組織才能完成的事情。我們必須讓他們相信，NextSilicon 并非因為 CPU 聽起來時髦才去制造它，而是因為我們的架構需要它。

慢慢地，合適的人開始加入。他們加入后，我們的使命就變得清晰起來：我們要把核心系統打好。

我們的首要目標很實際，但并非人們通常理解的那種加速器。Arbel 并非一款獨立的 CPU 產品，它最初是 Maverick 平臺內部的一個項目，旨在滿足其需求。在高性能計算 (HPC) 領域，工作負載自然分為并行和串行兩部分。并行計算密集型部分運行在 Maverick 的數據流架構上，而串行部分（無法并行化的部分）仍然依賴于強大的 CPU。我們需要高性能的 RISC-V 內核來高效處理串行執行，而 Maverick 則專注于并行工作負載。

這就是后來 Arbel 的開端。

第一代產品并非旨在取悅市場，而是為了向我們自己證明我們方向的正確性。它是一個亂序執行、超標量、僅處理整數的 RISC-V 內核，集成在加速器中。其目的是建立信心、驗證架構，并為我們未來的發展奠定堅實的基礎。

它成功了。它運行了Linux系統，也運行了BusyBox軟件。這證明了夢想并非只是夢想。從那時起，我們繼續前進。

我們增加了更多功能，提升了系統復雜性，從內部基礎設施轉向了更高性能。我們繼續構建核心系統、圍繞核心系統的組件、驗證環境、性能模型和軟件棧。

我們添加了真正高性能CPU所需的所有組件：向量運算能力、一致性、更強大的內存結構、更廣泛的執行范圍以及更好的系統集成。我們不再僅僅局限于能否制造一個核心，而是著眼于能否制造出一款能夠成為下一代計算平臺重要組成部分的CPU。

接下來是下一個重大步驟：Arbel 測試芯片。

真實硅片——真實印象

正是從這里開始，該項目不再僅僅是 Maverick 的內部支持工具。測試芯片是一款雙核、相干、高性能的 RISC-V 系統，運行頻率為 2.4 GHz，支持 PCIe Gen5、CXL 和基于 CHI 的片上網絡。我們將其與現成的 CXL DDR 和 PCIe 組件集成，用于內存、磁盤、網絡和 USB。換句話說，我們不僅僅是制造了一顆芯片——我們制造了一臺迷你電腦。

一套真實的系統。真正的硅芯片。運行Linux和Ubuntu系統。開箱即用，支持GCC和LLVM。運行基準測試。運行真實軟件。展示真實性能。并且公開展示，不是渲染圖，也不是未來承諾，而是可運行的硬件。

這很重要。

RISC-V 世界已經見證了許多精彩的演講，許多發展路線圖，以及許多大膽的宣言。但高性能 CPU 芯片卻截然不同。當你真正拿到芯片的那一刻，一切都變了。

對我們來說，這一點始終至關重要。我們只在拿出芯片進行展示后才選擇公開討論。因為在CPU設計領域，幻燈片固然重要，但芯片才是真理。

測試芯片不僅讓我們對功能充滿信心，也讓我們對性能充滿信心。與硬件開發同步，我們構建了一個周期精確的仿真器，用于性能分析和評估。我們將其與FPGA進行了對比，然后又與硅芯片進行了對比。這種對比至關重要，因為它使我們能夠更有信心地從當前的測試芯片過渡到下一代芯片。

而下一代產品是 Arbel 服務器級 CPU。

Arbel 最初是為了支持我們的 Maverick 加速器而設計的。但我們周圍的世界發生了變化。人工智能變了，高性能計算變了，數據中心也變了。這讓我們意識到，Arbel 的故事已經超越了 Maverick 本身。

多年來，業界似乎認為加速器就是一切。GPU、定制加速器、矩陣引擎、張量單元，所有這些都至關重要。但隨著人工智能系統變得越來越智能、交互性越來越強、也越來越復雜，僅僅依靠加速顯然是不夠的。

我們開發 Arbel 的原因是，智能體 AI 改變了 CPU 需要執行的操作。

人工智能代理不僅僅是一個運行靜態推理過程的模型。它會調用工具，觸發代碼，檢索信息，協調服務，執行復雜的流程，跨系統通信，管理內存，并與操作系統、網絡、存儲、數據庫和其他加速器進行交互。

在那個世界里，CPU不再是可有可無的部件。它需要運行速度快、響應迅速，并確保整個系統持續運轉。它需要為加速器提供數據，協調軟件棧，管理工作負載中不可預測的部分，并處理隨著人工智能系統自主性增強而變得愈發重要的控制流。

這是當今計算機領域最大的變革之一。

加速器仍然至關重要，但圍繞加速器構建的系統也變得同樣重要。如果CPU無法跟上速度，整個平臺都會受到影響。瓶頸將從數學引擎轉移到編排、內存移動、調度、網絡和軟件執行。

為什么Arbel 很重要

Arbel 的設計理念源于工作負載需求，而非沿用現有架構的限制。我們探究下一代 AI 和 HPC 系統對 CPU 的具體需求，尤其是在 CPU 與 Maverick 等自適應加速器協同工作的情況下。我們思考如何構建一款既能滿足傳統數據中心工作負載需求，又能滿足智能體 AI 新興需求的處理器。

最終成果是一款專為下一代人工智能和高性能計算系統設計的CPU，它基于開放式指令集架構（ISA），賦予客戶更大的控制權。量產版處理器將在此基礎上更進一步。

也正是在這個時候，RISC-V 不僅僅是一個有趣的指令集架構選擇。

一開始，我對RISC-V知之甚少。在英特爾工作了18年后，我深信x86架構，并認為它會在未來很多年里繼續保持高性能架構的主導地位。但隨著我們對RISC-V的研究不斷深入，它變得越來越有趣。

這個決定并非輕而易舉。一方面，RISC-V 賦予了我們自由。我們不再依賴于專有的 CPU 路線圖，無需等待其他公司的優先級，也沒有限制我們構建內容的許可結構。我們可以為自己的系統設計所需的架構。

另一方面，RISC-V生態系統尚不成熟。軟件棧仍在開發中，服務器規范也在不斷演進。問題不僅在于我們能否制造出RISC-V CPU，更在于RISC-V生態系統能否快速成熟，從而使RISC-V能夠在高性能計算和數據中心基礎設施領域擁有強大的競爭力。我們決定冒險一試。

現在看來，我認為當初的決定是正確的。

RISC-V 生態系統取得了顯著進展。軟件棧更加強大，規范日趨成熟。社區正從嵌入式和學術討論轉向真正的服務器級計算。在 NextSilicon，我們已經構建了多代 RISC-V 芯片，并制定了面向完整服務器級 CPU 的路線圖。

Arbel 是一款 64 核服務器級高性能 CPU 芯片組。它專為滿足數據中心的需求而設計，包括虛擬化、安全性、可靠性、可調試性、高帶寬 I/O 和現代內存配置。它適用于獨立服務器以及與 Maverick 等加速器協同工作的系統。

但最重要的不是清單，而是核心內容。

高性能CPU內核并非通過在框圖上添加功能而創建，而是由數千個精細的微架構決策構成，包括：取指帶寬、分支預測、內存分配、執行、內存排序、緩存層次結構、加載到使用延遲、一致性、向量和浮點單元、驗證、時序、功耗、面積以及物理實現。

這就是領域專業知識的重要性所在。很多團隊都能實現指令集架構（ISA），但只有極少數團隊能真正構建出高性能的CPU核心。

在 Arbel 項目中，我們做出了多項體現這些經驗的深層次架構選擇。我們構建了一個強大的前端，具備高讀取速度，而無需依賴昂貴的微操作緩存。我們設計了一種虛擬 L1 緩存結構，在解決別名和標簽管理等實際難題的同時，實現了低加載到使用延遲。我們構建了一個原子性的 L1 填充和驅逐流水線，降低了硬件復雜度，避免了不必要的緩沖。我們設計了強大的執行資源、高效的內存操作、向量和浮點運算能力，以及擴展所需的底層架構。

這些并非營銷噱頭。它們是決定CPU是否真正可靠的關鍵細節，而且除非團隊擁有CPU設計方面的經驗，否則這些細節很難做到盡善盡美。

這就是我為團隊的成就感到自豪的原因。這不僅是因為我們打造了一款雄心勃勃的產品，更是因為我們以高性能CPU設計所需的嚴謹態度完成了它。我們最初抱持懷疑態度，但我們成功研發出了第一批芯片，將核心集成到Maverick系統中，不斷擴展功能，構建了完整的測試芯片，運行了實際軟件，驗證了性能。現在，我們正朝著服務器級CPU的目標邁進。

（來源：編譯自nextsilicon ）

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第4466內容，歡迎關注。

加星標??第一時間看推送

求推薦