开源RISC-V或将重塑GPU格局_开源gpu 架构

RISC-V一直以其开源特性而备受业界关注。不过，一直以来，RISC-V相关IP主要集中在CPU领域，而事实上，它也可以用在GPU领域。

你我都知道，GPU领域几乎被一两家企业所统治，这是因为GPU领域生态是最大的壁垒。加之专利门槛极高，GPGPU（通用GPU）IP在图形处理领域一直不温不火。

最近几年，业界开始探索通过扩展和改写RISC-V CPU指令集，来制造GPU。

 RISC-V GPU，有产品了 

对于RISC-V来说，GPU IP一直是一个痛。虽说Imagination曾经宣布其GPU IP将会支持RISC-V CPU，但真正将RISC-V做成GPU的却屈指可数。

真正使用RISC-V设计制造GPU的产品出现在2019年，那一年，一家成立于2007年的希腊IP厂商——Think Silicon推出业界首款基于RISC-V ISA的3D GPU NEOX V。

这家公司对于RISC-V GPU赛道极为执着，紧接着在2022年的Embedded World上，展出业界首款基于RISC-V的GPU，命名为NEOX G系列和A系列。

今年Embedded World，Think Silicon又展示了用在MCU上的GPGPU方案NEOX-GA100，也是业界首个基于RISC-V的GPGPU架构，同时该公司拥有RISC-V RV64架构的全部权利。

根据官网显示，作为轻量级3D图形系统，整个3D、VG和2.5D API需要不到150KB的内存和10mW的功率，非常适合从低功耗裸机到RTOS和基于Linux的高性能系统。此外，该产品也可以在不增加芯片成本的情况下实现AI应用。

NEOX-GA100架构，图源｜Think Silicon

国内方面，也有相关产品发布。2023年11月，上海逸集晟（ezchip）发布了一款GPGPU核心IP——RVG-1。RVG-1是一个基于RISC-V架构，并且完整支持CUDA源码编译的软硬件一体解决方案。

官方信息显示，RVG-1在硬件上充分利用了RISC-V架构扩展指令的灵活性。基于RV32IMAF/RV64IMAFD基础指令集，增加了进程调度/管理指令和矩阵存取/计算指令的支持，并引入了多级缓存和存储控制，构建了一个可灵活配置核心算力/数量和缓存容量的GPGPU核心。目前在28纳米工艺下，该核心可以运行在800MHz，并且仍在持续优化中。

目前来看，RISC-V GPU IP厂商们的野心的目标都很大，一方面布局边缘端的低功耗GPGPU，另一方面布局科学计算、AI的大型GPGPU。 

 全世界都在研究RISC-V GPU架构 

事实上，全世界都不想看一两家厂商垄断市场，都在想办法做各种开源GPU架构，这其中既包含较老的指令集或是中间语言进行实现，有些则基于RISC-V CPU指令集进行改进和扩展来实现GPGPU的功能。

开源GPU汇总，图源｜陈巍谈芯

2021年，乔治亚理工研究了一种支持CUDA的RISC-V GPU架构——Vortex。

前几日，一个成立于2022年的美国公司X-Silicon发布了其开放标准、低功耗的C-GPU架构。

根据介绍，C-GPU架构将打造成为开源、统一的RISC-V 矢量 CPU-with-GPU ISA 架构，C-GPU采用NanoTile架构，X-Silicon将这种CPU/GPU混合处理器称为“万能处理器”。其处理器专为动态内容最佳管理和渲染而设计，并超越传统GPU限制。

翻译翻译就是把基于RISC-V架构的CPU和GPU放在同一个核内。

X-Silicon的单核概念，图源｜X-Silicon

国内方面，上海清华国际创新中心集成电路研究平台推出的首款基于RISC-V向量扩展（RVV）的GPGPU“Ventus（乘影）”，是国内首个开源GPGPU，也为后续协同企业开发国产全自主GPU商用产品的路上迈出关键一步。

根据官方信息显示，RVV GPGPU参考RISC-V CPU开发思路，在满足SIMT基础功能同时，汲取RISC-V向量扩展在功能定义和指令设计上优势，将二者有机结合，使乘影同时具备向量处理器工具链兼容性和GPGPU编程灵活性。

乘影架构解读，图源｜陈巍谈芯

陈巍博士解读，乘影主体大框架借鉴GPGPU的结构，每个流多处理器（Streaming Multiprocessor，SM）主体结构接近于RISC-V。后端执行则直接使用处理器中常用ALU、FPU、LSU。为了让SM能够完成GPGPU工作，乘影里添加了SIMT-stack和SFU这类GPU中的常见功能模块。

2024年2月，芯瞳成功开源了一款基于RISC-V指令集的GPU处理器模型RVGPU，这是芯瞳在RISC-V + GPU方向持续研究取得的重要突破。

根据官方介绍，RVGPU采用SIMT（单指令多线程）技术，现已成功实现对CUDA（Compute Unified Device Architecture）的兼容支持，包括CUDA编译器和运行时环境。除此以外，RVGPU的架构指令CModel仿真模型允许开发者在模拟环境中模拟GPU的各种指令和行为。

RVGPU软件栈，图源｜芯瞳半导体

综合来看，上述产品均基于LLVM开源工具链完成GPGPU编译器的开发，支持OpenCL开源并行编程框架。

可见，所有厂商都有着一个共同的目标，那就是建设一个开源GPU生态。

不过，总的来说，GPU是一个非常复杂的产品，绝不仅仅只是一个开源GPU就能够与现有玩家五五开的，未来还依赖大量的研发与投入。

 用RISC-V做GPU，有好也有坏 

用RISC-V做GPU，有人拍手叫好，也有人觉得多此一举。

觉得它好的人，认为RISC-V可以直接套用RISC-V的生态，不需要完全自建GPU生态，规避了与CUDA的专利对决。毕竟这是个开源的GPU IP，大家都加入到开源建设的大家庭，就能够弥补GPU生态不足，也不容易踩到知识产权的坑。

与此同时，每个SM核的独立性更好，可以执行比常规GPU CUDA核更复杂的计算。如果加上MMU，未来甚至可以在每个SM核上跑操作系统，非常有利于虚拟化。

觉得它不好的人，认为目前的RISC-V GPU产品，都是目前NVIDIA的GPU的形似物，设计没有什么太大差别，而HBM这样的器件八成是用不起的，其它诸如Nvidia GPU里面的Texture Unit也是缺失的。

更何况，CUDA这样的生态是很难跨越的鸿沟。有大佬曾言：“如果你看一下GPU的生态系统，就会发现工具链是由NVIDIA控制的，包括AMD在内的其他竞争对手都试图打破垄断，但失败了。通过扩展RISC-V标准指令集，几乎不可能与不断更新的NVIDIA生态系统兼容。另一方面，也很难重新开始，因为英伟达拥有先发优势。”

所以，对于大部分RISC-V GPU来说，支持CUDA生态至关重要，我们也看到许多厂商确实也是这样做的。因为虽然通过LLVM可能只需要重构compiler后端，但性能好不好就是另外一回事了。

还有比较激进的观点，认为从RISC-V开始做GPU，不如直接从白纸开始做。他们认为，要使基本的RISC-V指令集适应GPU任务，需要大量投资来定义自定义ISA扩展，构建高度复杂的微架构更改，并对开源工具进行大手术，使它们几乎与原始工具相似。这样一来，使用RISC-V的几乎所有潜在价值，都被定制架构比下去了。

就连上海交大也曾经说过，“我们想做的是一个独立完整的GPGPU架构和指令设计，而不依赖于现有RISC-V CPU开源指令，这样才能更完备地打造和融入原生的GPGPU生态 ，从而与现有的各种CPU系统无缝衔接。”所以因此，他们做了“青花瓷”这样一个定制的开源GPGPU架构。

但多一条路线，总归是好事。毕竟RISC-V CPU发展迅速，如果RISC-V CPU发展好，RISC-V GPU就能跟着“发财致富”。这条路好不好，就全看RISC-V能发展成什么样子了。

参考文献

[1] 知乎：https://www.zhihu.com/question/549317122

[2] 中国电子报：初入GPU赛道，RISC-V能否取得好表现？.2023.1.24.https://mp.weixin.qq.com/s/X3cexh0a4kgC8eZQMmo_og

[3] 乘影：https://opengpgpu.org.cn/

[4] AI芯天下：热点丨全球首款RISC-V 3D GPU即将亮相.2022.6.20.https://mp.weixin.qq.com/s/Obtc0LVcLHPIrkTlYjywXQ

[5] The Tech Outlook：https://www.thetechoutlook.com/press-release/think-silicon-to-showcase-its-latest-ultra-low-power-3d-graphics-and-ai-in-one-ip-architecture-at-embedded-world-2024/

[6] Think Silicon：https://www.think-silicon.com/

[7] Jon Peddie：https://www.jonpeddie.com/news/x-silicons-low-power-open-standard-vulkan-enabled-c-gpu/

[8] 芯瞳半导体：芯瞳开源基于RISC-V架构的GPU模型RVGPU.2024.2.23.https://mp.weixin.qq.com/s/K1RUIEo8BL88Rxmimc4GAw

[9] ezchip：ezchip发布基于RISC-V架构的CUDA兼容GPGPU核心——RVG-1.2023.11.20.https://mp.weixin.qq.com/s/4XYG8fPQ8a7w7mjNym3uVA

付斌｜作者

电子工程世界（ID：EEWorldbbs）｜出品