国产最强开源RISC-V内核“昆明湖”解析：性能比肩Neoverse N2

当地时间8月27日，在Hot Chips 2024大会第二日活动上，国产第三代“香山”开源高性能RISC-V处理器核“昆明湖”正式亮相。

得益于指令精简、可扩展、开源等优势，RISC-V指令集一直被视为x86、Arm之外最有潜力的第三大处理器指令集架构，同时也被视为中国芯片产业自主可控的重要路线。

在此背景之下，中国科学院计算技术研究院、北京开源芯片研究院、中国科学院大学联合推出了“香山”开源高性能RISC-V处理器项目，主要面向的就是高性能应用。

2021年，“香山”系列第一代开源高性能RISC-V处理器核“雁栖湖”正式发布，是同期全球性能最高的开源处理器核。2023年5月，第二代“香山”系列开源高性能RISC-V处理器核“南湖”正式发布，当时也成为了国内首款对标Arm Cortex-A76的高性能开源RISC-V处理器核；此次推出的第三代“香山”系列开源高性能RISC-V处理器核则是“昆明湖”，对标Arm Neoverse N2内核。

据介绍，第三代“香山”开源高性能RISC-V处理器核，设计工艺为7nm，主频达到3GHz，SPECINT2006评分为15分/GHz，性能对标Arm Neoverse N2内核，可广泛应用于服务器芯片、AI芯片、GPU、DPU等高端芯片领域，可以作为先进计算产业提供开源共享的共性底座技术。

下图是第三代“香山”开源高性能RISC-V处理器核“昆明湖”的微架构，包括矢量和虚拟机管理程序扩展。

这里是“昆明湖”内核的分支预测器和指令代码/前端TLB的设计。

后端有一个6-wide的解码/重命名/调度。

整数计算模块是一个4 ALU设计，该设计还具有浮点和向量模块。

“昆明湖”内核还带有加载-存储管道、MMU和数据缓存的内存块。

“昆明湖”内核拥有高达1MB的专用L2缓存，还有一个16MB的共享L3缓存。与现代大型服务器CPU设计相比，16MB共享L3可能看起来很小，不过如果对比Neoverse N2来看，这已经相当不错了。

这是“昆明湖”内核13级流水线的管道图。

“香山”开源高性能RISC-V处理器核“南湖”、“昆明湖”与Arm Neoverse N2和Arm Cortex A76的参数对比。可以看到，“昆明湖”的部分参数已经优于Neoverse N2。

在性能方面，“昆明湖”的SPEC CPU 2006得分已经达到了44分，通过编译器优化甚至可以达到47.63分。

在今年 8 月 19 日至 25 日举办的第四届 RISC-V 中国峰会（RVSC2024）期间，开发人员成功在北京开源芯片研究院展示了基于“南湖”开发板上成功运行起了《云・原神》。据介绍，目前南湖v3和昆明湖v1已经准备好流片了。

除了RISC-V处理器内核之外，“香山”项目推出了可配置和可扩展的SoC解决方案，支持更高性能的芯片提供更大的集群。

在软件方面，“香山”项目还配套了开源工具。

以及敏捷开发工具链，比如difftest，可以用于及时发现RTL错误。

LightSSS则支持在模拟中重现调试信息。这些工具有助于在进入晶圆厂制造之前通过测试来了改进芯片设计。

据介绍，一批企业正基于“香山”高性能开源RISC-V内核研发数据中心AI芯片、超大算力RISC-V服务器芯片、面向开放市场的全自主RISC-V云计算芯片、基于RISC-V的国产GPU芯片等高端芯片，有望在2025年形成高端RISC-V计算芯片的集体突破。

最后是关于香山项目的总结，“南湖”和“昆明湖”两款内核的roadmap，两个内核是由两个团队并行推进的，计划在今年实现“南湖”内核的第五版设计，昆明湖则将完成第二版设计，明年将会继续迭代。

编辑：芯智讯-浪客剑