进军服务器市场，RISC-V能否与X86一战？

2023-09-15 11:18

众所周知，目前x86架构处理器统治着PC和服务器市场，而Arm架构处理器则统治着移动市场，并在IoT市场占据着较大的市场份额。
但是，近年来RISC-V架构则凭借着开源、指令精简、可扩展等优势，在注重能效比的物联网领域大受追捧。
在RISC-V International及相关芯片厂商的推动下，RISC-V也开始进入更高性能需求的服务器市场。

进军服务器！RISC-V能否与x86一战？

2023年初，RISC-V International将HPC确定为RISC-V增长的战略优先领域，再加上最近批准的矢量扩展和大量移植关键HPC库和工具的HPC软件工作，很明显，这一领域的势头正在迅速增长。
世界各地的很多项目，如欧洲eProcessor项目、拥有上千RISC-V核心的Esperanto CPU，以及旨在开发RISC-V关键软件组件支持的多供应商RISE项目，都有可能推动RISC-V在包括HPC在内的高端计算中普及，并最终使社区能够围绕这一技术构建超级计算机。
此外，早期的应用研究对RISC-V可以为高性能工作负载带来的好处也表示赞同。
2022年12月，芯片初创企业Ventana Microsystems公司在RISC-V峰会上发布了全球首款面向服务市场的基于RISC-V架构的最高192核CPU——Veyron V1。
据介绍，Veyron V1采用先进的5nm制程工艺，基于Ventana自研的高性能RISC-V内核，8流水线设计，支持乱序执行，主频高达3.6GHz，每个集群最多16个内核，多集群最多可扩展至192核，拥有48MB共享三级缓存，拥有高级侧信道攻击缓解措施、IOMMU和高级中断架构（AIA）、支持全面的RAS功能、自上而下的软件性能调整方法，可以满足数据中心的各种需求。

进军服务器！RISC-V能否与x86一战？

根据Ventana披露的数据显示，在SPECint 2017测试中，128核心版本的Veyron V1在300W功耗下，大幅性能领先于64核的AMD EPYC Milan 7763（280W），并且达到了64核心AWS Graviton G3（Neoverse v1内核）、40核心Intel Xeon Ice Lake 8380（270W）的两倍。当然这也主要得益于其核心数量达到了竞品的两倍。
需要指出的是，Veyron V1并没有SIMD或向量执行单元，这对上有AVX-512的Intel或AMD的服务器处理器会非常吃亏。
另外，Veyron V1目前还没有量产，之前承诺的是今年第二季或第三季向客户提供样品。所以，以上官方公布的数据都还是纸面上的数据。
相比之下，今年三月国内某厂商推出的64核RISC-V服务器芯片SG2042目前已经小批量出货。
近日，国外研究人员Nick Brown 通过RAJAPerf基准测试套件对于这款芯片进行了实测，发现其与最新的广泛可用的RISC-V芯片相比，其平均每个核心的性能提高了5到10倍。但是在多线程工作负载下，x86高性能CPU的平均性能依然达到了它的4-8倍。
据该研究报告显示，该64核RISC-V处理器，运行频率为2GHz，由四个高性能的C920内核组成，并采用了12级无序多问题超标量管道设计。
C920提供RV64GCV指令集，具有三个解码、四个重命名/调度、八个发布/执行和两个加载/存储执行单元。支持矢量化标准扩展（RVV v0.7.1），矢量宽度为128位，支持数据类型FP16、FP32、INT8、INT16、INT32和INT64。然而，C920并不支持FP64矢量化
研究称，双精度浮点是绝大多数高性能工作负载的基础，因此能够支持矢量化这些操作的核心可能会为HPC提供更高的性能。每个C920核心还包含64KB的L1指令（I）和数据（D）缓存，1MB的L2缓存，在四个核心的集群之间共享，64MB的L3系统缓存，由集群中的所有核心共享。还提供四个DDR4-3200内存控制器和32条PCIe Gen4通道。
HPC工作负载的一个重要考虑因素是矢量化，由于C920核心仅支持RVV v0.7.1，编译器支持是一个挑战。RISC-V GNU编译器的当前上游版本不支持任何版本的矢量扩展。虽然GNU存储库包含一个rvv下一个分支，其目的是支持rvv v1.0，但在研究人员撰写研究报告时，它并没有得到积极维护。
此外，还有一个针对rvv v0.7.1的rvv-0.7.1分支，但该分支已被删除。由于缺乏对主线GCC的支持，阿里平头哥（T-Head）提供了自己的GNU编译器分支（玄铁GCC），该编译器已针对其处理器进行了优化。
T-Head的定制编译器同时支持RVV v0.7.1和他们自己定制的自定义扩展。虽然已经提供了该编译器的几个版本，但作为其20210618版本的一部分，GCC8.4提供了最佳的自动向量化能力，因此这是研究人员进行的基准测试实验选择的版本。
该版本的编译器生成矢量长度特定（VLS）RVV组件，该组件专门针对C920的128位矢量宽度。所有内核都在优化级别三进行编译，所有报告的结果都在五次运行中取平均值。
与其他高性能RISC-V内核比较
研究人员比较了SG2042与赛昉(StarFive)开发板VisionFive V1和 Vision V2的性能，V1包含赛昉JH7100 SoC，而V2包含赛昉JH7110 SoC。
JH7100和JH7110这两个SoC都是基于64位RISC-V SiFive U74内核构建的，JH7100包含两个内核，JH7110包含四个内核。SoC被列为以1.5GHz运行，U74内核包含32KB（D）和32KB（I）L1缓存，两种SoC型号还包含内核之间共享的2MB L2缓存。
然而，SiFive U74仅提供RV64GC，因此不支持RISC-V矢量扩展。

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图1展示了VisionFive V2和V1与SG2042在双精度（FP64）和单精度（FP32）方面的单核性能比较。其中条形图是整个类别中速度更快或更慢的平均次数，线条的范围从最大到最小。
从图1中可以看出，单个C920核心在双精度和单精度方面都优于V2和V1的U74核心。
在双倍精度下，C920核心的平均性能是V2中U74以双倍精度运行时的4.3至6.5倍。此外，在单精度下，C920的性能是基准测试平均性能的5.6至11.8倍。这是一个令人印象深刻的性能提升，并且C920内核上没有比U74运行得慢的内核。
一些内核在C920上的性能非常令人印象深刻，例如，来自算法组的内存集基准在FP32中的运行速度是U74的40倍，在FP64中运行速度是U74的18倍。
需要强调的是，该基准测试在这些核心上都是以尽可能好的配置，即C920上利用了矢量化，但是U74不支持矢量化，因此在V1或V2上不可用。
SG2042上的FP32和FP64之间存在显著的性能差异，这表明事实上C920矢量运算不支持FP64。相比之下，在V2上运行双精度和单精度之间的性能差异要小得多。
图1中结果的一个方面让研究人员感到惊讶的是，VisionFive V1比V2慢得多。考虑到测试只是在单核上运行RAJAPerf，所以芯片的双核和四核性质并不重要，因为它们都包含相同的U74核心，那么其性能应该相当相似。
但是，在双倍精度下，V1比V2慢了六倍到三倍，单精度则慢了一倍到三倍。虽然可以假设V1可能以比V2更低的时钟频率运行，尽管它们在数据表中都被列为以1.5GHz运行，但机器上没有任何文件或输出可以证实这一点。
从图1中可以看出，与现有的、公开可用的商品RISC-V内核相比，单个C920核心所获得的性能令人印象深刻。T-Head将该核心描述为一种高性能RISC-V处理器。
测试也表明，其与U74相比，在整个基准测试套件中的性能有了很大的提高，U74以前被认为是广泛可用的RISC-V CPU的最佳选择，可以在其上进行HPC工作负载的实验。
除了单核性能外，SG2042在核数量方面也显著领先于V1的JH7100和V2的JH7110 SoC。
与x86服务器CPU性能比较
那么相对于其他商用的x86服务器芯片，SG2042在HPC工作负载中的表现如何呢？
对此，研究人员将其与当前一代服务器中使用的其他CPU进行了比较，分别为64核的AMD Rome EPYC 7742、18核的Intel Broadwell Xeon E5-2695、28核的Intel IceLake Xeon 6330、4核心的Intel SandyBridge Xeon E5-2609。
测试只在这些x86 CPU的物理内核上执行，因为默认情况下禁用了所有SMT。

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AMD EPYC 7742在四个NUMA区域中包含64个物理内核，每个区域有16个内核，但有八个内存控制器。每个核心包含32KB（I）和32KB（D）L1缓存，512KB的L2缓存，四个核心之间共享16MB的L3缓存。EPYC 7742提供支持AVX2，具有256位宽的矢量寄存器，是SG2042的两倍，并支持FP64的矢量化。
Intel Xeon E5-2695的18个物理内核位于一个NUMA区域中，提供32KB（I）和32KB（D）L1缓存，256KB的L2缓存，以及45MB的跨内核共享的L3缓存。与AMD EPYC 7742类似，Xeon E5-2695支持AVX2，并且有四个内存控制器。
Intel Xeon 6330是比较的最新CPU，所有28个物理内核都在一个NUMA区域中，具有8个内存控制器，具有32KB（I）和48KB（D）L1缓存，每个内核1MB L2缓存，以及43MB共享L3缓存。Xeon 6330支持AVX512，并提供512位宽的矢量寄存器。
Intel Xeon E5-2609属于本次测试当中最古老的CPU，其于2012年发布，仅提供四个物理核，每个核都有64KB（I）和64KB（D）L1缓存，以及256KB的L2缓存和共享的10MB L3缓存。该E5-2609仅支持AVX，因此矢量寄存器长度与SG2042相同，为128位，尽管AVX支持FP64。
在所有测试当中，研究人员禁用了x86物理内核的超线程。除了ARCHER2之外，研究人员在所有系统上都使用GCC版本8.3，编译始终在优化级别O3下进行。全部在性能最高的线程数量上执行的系统。

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图4展示了各芯片在FP64上运行基准测试套件的单核性能。其中条形图是整个类别中速度更快或更慢的平均次数，线条的范围从最大到最小。SG2042为均值基线。
从测试结果来看，除了除了古老的Xeon E5-2609内核之外，所有x86内核的性能都优于C920，后者在流和算法基准类中的平均性能较慢。
AMD EPYC 7742和Intel Xeon 6330 CPU的表现往往优于Intel Xeon E5-2695，这是可以理解的，因为Xeon E5-2695是这三款CPU中的老款。

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图5展示了各芯片在FP32上运行基准测试套件的单核性能与基线相比的快慢次数。
从图5可以看出，AMD EPYC 7742在单精度执行时与双倍精度执行时相当乏善可陈，而英特尔处理器的平均性能也一样好，事实上，当使用FP32时，古老的Xeon E5-2609内核在每种级别上的平均性能都优于C920。
然而，图5中的平均条形图并不能提供完整的图片。
C920仅支持FP32的矢量化，事实上，从图5和图4中的线条可以看出，FP32的许多基准类的最大速度比FP64快。
此外，有更多运行速度最慢的内核在x86 CPU上的执行速度比FP32上的C920慢。这些内核是有效应用自动矢量化的地方，事实上，可以看出，对于lcals基准类，所有x86 CPU上至少有一个内核的性能低于C920。
总结来说，在单核性能比较上，FP32下的AMD EPYC 7742平均表现要比C920快3倍，Intel Xeon E5-2695要快2倍，Intel Xeon 6330也要快4倍，Xeon E5-2609则快2倍，FP64下的这些数字则分别快4倍、4倍、5倍和20%。

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FP64多线程性能比较，报告比基线快或慢的次数图6展示了针对双精度FP64的性能比较。
可以看出，basic、lcals、polybench和stream类测试从更多的内核中受益最大，因此SG2042的平均性能优于古老的Xeon E5-2609。

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FP32多线程性能比较，报告比基线快或慢的次数图7展示了FP32的多线程性能比较，这些结果包含最大的差异。为了提高可读性，研究人员限制了纵轴，并标记了超过该值的实际数值。
在多线程FP32方面，SG2042往往比FP64在与x86 CPU的竞争中表现得略强，尽管polybench类是一个异常，因为它在三个最新的x86 CPU上的表现要好得多，而Intel Xeon E5-2609的表现则差得多。
总结来说，在SG2042多线程性能与x86 CPU进行比较时，在FP32和FP64上运行的所有基准类型测试中，其64核平均性能优于4核的Intel Xeon E5-2609。
64核的AMD EPYC 7742在FP32和FP64方面的性能分别是SG2042的8倍和5倍。18核的Intel Xeon E5-2695在单精度和双精度方面分别平均达到了6倍和4倍。最后，28核的Intel Xeon 6330在FP32和FP64方面的表现分别是其6倍和8倍。
结论：
研究人员表示，尽管当前有许多公司在开发高性能RISC-V硬件原型，但到目前为止，当希望在可商用的RISC-V软件上运行工作负载时，选择非常有限。
不管怎样，尽管这些解决方案能够对RISC-V进行实验，但它们并不能在体系结构上提供生产高性能工作负载所需的功能。因此，尽管HPC社区对RISC-V很感兴趣，但它还没有完全准备好迎接这项技术。
当然，作为世界上第一款广泛可用的针对HPC的多核RISC-V服务器芯片，SG2042可能会大大提高HPC社区对RISC-V的兴趣和采用率。然而，一个关键的问题是其与当前一代超级计算机中普遍存在的x86 CPU相比依然有着较大的差距。
不过，与目前可商用的RISC-V硬件相比，这是一款非常令人兴奋的RISC-V服务器芯片，它提供了一些重大的变化。
虽然性能还没有达到x86服务器CPU的水平，但应该强调的是，RISC-V供应商在短时间内取得了长足的进步。相比之下，x86 CPU有着悠久的历史，并从他们多年的开发中受益。
目前RISC-V进入服务器CPU市场的竞争对手主要还是Arm服务器CPU，毕竟其理论上RISC-V CPU可以拥有相比Arm CPU更低的成本、更高的定制化和可扩展性。
对于下一代高性能RISC-V处理器来说，研究人员认为，提供RVV v1.0将非常有用，因为这将提供使用用于编译矢量化代码的主线GCC和Clang。
此外，提供FP64矢量化、更宽的矢量寄存器、增加的L1高速缓存以及每个NUMA区域更多的存储器控制器也可能带来显著的性能优势，并有助于缩小与x86高性能处理器的差距。
【来源：芯智讯】

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