本文作者：RISC-V基金會(huì)CTO Mark Himelstein
RISC-V已經(jīng)有十年的歷史了。下面我們來看看RISC-V基金會(huì)已經(jīng)完成了什么，以及它是如何通過針對(duì)特定計(jì)算環(huán)境和行業(yè)的擴(kuò)展來向前發(fā)展的。
RISC-V基金會(huì)正在開發(fā)一系列可選擴(kuò)展，旨在以前所未有的新方式支持特定行業(yè)以及整個(gè)計(jì)算行業(yè)。
本文提供了這些擴(kuò)展的三個(gè)例子：安全、向量和縮減的代碼大小。
RISC-V最近慶祝了它的10周年紀(jì)念日，我們的社區(qū)現(xiàn)在處于一個(gè)獨(dú)特的位置，可以充分利用之前在開源軟件和硬件方面的歷史。
RISC-V是一個(gè)完整的開源體系結(jié)構(gòu)，充分體現(xiàn)了RISC的特點(diǎn)。它是一個(gè)靈活的平臺(tái)，適用于解決從物聯(lián)網(wǎng)（IoT）到超級(jí)計(jì)算機(jī)等各種行業(yè)需求的解決方案。
我們最初開發(fā)了一個(gè)緊湊的指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA），它能夠包含通用、可選和自定義擴(kuò)展。毫不奇怪，現(xiàn)在的門檻比上世紀(jì)80年代第一個(gè)商用RISC芯片出現(xiàn)時(shí)高很多，這意味著對(duì)ISA特性的要求更高，同時(shí)也需要不斷增長的生態(tài)系統(tǒng)來生產(chǎn)可部署產(chǎn)品。
當(dāng)然，ISA只是冰山一角。它本身并沒有什么用處，因此我們已經(jīng)并正在繼續(xù)開發(fā)一個(gè)豐富的軟件生態(tài)系統(tǒng)，確保工具和功能（例如，模擬器、驗(yàn)證工具、操作系統(tǒng)、管理程序、調(diào)試器、編譯器等）已經(jīng)就緒。反過來，RISC-V成員可以從與社區(qū)的共同努力中獲益，并加速創(chuàng)新。
我們的組織正在開發(fā)一系列可選擴(kuò)展，旨在以前所未有的新方式支持特定行業(yè)以及整個(gè)計(jì)算行業(yè)。我將在這里討論的三個(gè)例子，分別是密碼學(xué)、向量處理和縮減代碼大小。
安全
無論是行業(yè)還是實(shí)現(xiàn)，公司都必須決定其應(yīng)用程序所需的安全級(jí)別。這是自RISC開始以來情況發(fā)生了很大變化的情況之一，從需要使用改進(jìn)的加密標(biāo)準(zhǔn)（如AES）到防范諸如Spectre和Meltdown之類的惡意攻擊。
例如，RISC-V加密任務(wù)小組已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多屬于其他擴(kuò)展（例如RISC-V的位操作擴(kuò)展）的指令，并且正在設(shè)計(jì)特定于加密的擴(kuò)展。因此，如果金融部門需要保護(hù)每一筆交易，我們定義的擴(kuò)展可以將AES-128加密所需的指令減少一個(gè)數(shù)量級(jí)以上（在64位RISC-V設(shè)計(jì)中，從1145條指令減少到78條指令）。利用RISC-V的向量擴(kuò)展，高性能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以進(jìn)一步將指令的數(shù)量減少到每個(gè)塊不到一條指令，同時(shí)提高了抗旁路攻擊的能力。RISC-V 組織在ISA中允許的內(nèi)容非常節(jié)儉，任務(wù)小組必須向社區(qū)展示擴(kuò)展指令集的價(jià)值后才會(huì)選用。
矢量處理
自從 ILLIAC或CRAY一號(hào)計(jì)算機(jī)問世以來，向量處理已經(jīng)存在了很長一段時(shí)間。它一直是關(guān)鍵部門做的事情，如天氣預(yù)報(bào)和聲納等。然而，現(xiàn)在隨著人工智能（AI）的興起和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）在各類型的應(yīng)用和解決方案中的擴(kuò)散，向量處理需求已經(jīng)成為主流。
RISC-V有其歷史上的優(yōu)勢(shì)。我們見證了所有已經(jīng)誕生的實(shí)現(xiàn)以及現(xiàn)代應(yīng)用程序和工作負(fù)載的需求。因此，我們?cè)谏鐓^(qū)中有一組架構(gòu)師設(shè)計(jì)向量擴(kuò)展來處理最苛刻的用途，比如稀疏矩陣等。
此外，因?yàn)槲覀儎?chuàng)建的向量擴(kuò)展沒有歷史的負(fù)擔(dān)，而且有一個(gè)整體的看法，所以我們注意到了到底需要什么。例如，對(duì)于內(nèi)存系統(tǒng)，為了減少那些非常稀疏的矩陣操作的影響，我們?cè)黾恿颂摂M內(nèi)存（如頁表和tlb）和內(nèi)存訪問（支持實(shí)現(xiàn)來有效地減少對(duì)遍歷操作的緩存影響）。
減少代碼量
嵌入式操作（如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序和計(jì)算機(jī)設(shè)備）通常會(huì)要求代碼量減少。我們創(chuàng)建了一個(gè)支持16位指令版本的C擴(kuò)展（C extension），它適用于32位標(biāo)準(zhǔn)指令集中的相應(yīng)指令。正如您所想象的，這減少了空間需求并提高了緩存的局部性。
然而，一旦我們?cè)O(shè)計(jì)了C擴(kuò)展，就可以清楚地看到，所有其他段都可以利用這個(gè)擴(kuò)展來增強(qiáng)它們的緩存局部性。隨后，C擴(kuò)展成為大多數(shù)實(shí)現(xiàn)者將在其設(shè)計(jì)中包含的基本擴(kuò)展。但我們并沒有就此止步。我們從整體上審視了嵌入式市場的需求，并推出了其他擴(kuò)展，比如稱為Zfinx的擴(kuò)展。它允許實(shí)現(xiàn)者在整數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算之間共享寄存器，從而減少寄存器所需的空間。
通過這些例子，您可以看到RISC-V正在考慮特定行業(yè)的需求，并將它們轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)腞ISC-V特性。這樣一個(gè)整體的觀點(diǎn)加上RISC-V的靈活性吸引了眾多行業(yè)的成員。我們打算繼續(xù)這種模式。因此，總有一天你可以在你的烤面包機(jī)上看到RISC-V的設(shè)計(jì)，以及地球上最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，以及介于兩者之間的每一個(gè)計(jì)算平臺(tái)中。
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