無(wú)論是人工智能、高性能計(jì)算，還是汽車或TWS，我們已經(jīng)在各種產(chǎn)品形態(tài)中看到了RISC-V的身影。然而，有一種產(chǎn)品卻成了RISC-V長(zhǎng)久以來(lái)的痛，那就是GPU。固然，RISC-V在某些方面已經(jīng)有了不遜色與ARM的計(jì)算能力表現(xiàn)，但在圖形處理上還是沒(méi)能匹敵ARM多年來(lái)的積累。但境況似乎正在慢慢好轉(zhuǎn)，近年來(lái)RISC-V的GPU生態(tài)也已經(jīng)開(kāi)始發(fā)力了。

已有GPU生態(tài)的支持

去年1月，賽昉科技發(fā)布了可運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的星光RISC-V單板計(jì)算機(jī)，搭載了賽昉的驚鴻7100RISC-V視覺(jué)處理芯片。為了添加更加強(qiáng)大的圖形性能，賽昉授權(quán)采用Imagination的B系列GPU IP，并計(jì)劃在該單板計(jì)算機(jī)的后續(xù)量產(chǎn)版本中使用Imagination的BXE-4-32。
同樣用到ImaginationB系列GPU的還有晶心，今年1月，晶心科技宣布已經(jīng)完成IMG BXE-2-32 GPU與其AX45 RISC-V GPU的聯(lián)合驗(yàn)證工作，在FPGA上使用Linux系統(tǒng)完成了渲染大量圖形的工作負(fù)載和基準(zhǔn)測(cè)試。而此前RIOS Labs的RISC-V微型計(jì)算機(jī)PicoRio也宣布與Imagination達(dá)成合作，宣稱計(jì)劃在PicoRio2.0版本中引入Imagination的PowerVR GE7800 XE系列GPU。

Imagination的GPU具備與多種處理器架構(gòu)協(xié)同工作的潛質(zhì)，其B系列更是可以達(dá)到最高6TFLOPS的算力，對(duì)于視覺(jué)計(jì)算優(yōu)異但3D圖形處理仍然偏科的RISC-V來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是一個(gè)很好的輔助，尤其是對(duì)于圖形性能有一定要求的消費(fèi)類設(shè)備。

盡管這種異構(gòu)的設(shè)計(jì)已經(jīng)見(jiàn)怪不怪了，但歸根結(jié)底這并非基于RISC-V架構(gòu)的GPU，而ARM在GPU上的崛起，靠得正是Mali和Adreno之類的ARM架構(gòu)GPU，RISC-V要想在架構(gòu)之戰(zhàn)站穩(wěn)腳跟，也必須得打造基于自身架構(gòu)的GPU。不過(guò)Imagination已經(jīng)開(kāi)始在做Catapult系列RISC-V CPU，有朝一日把RISC-V引入其GPU設(shè)計(jì)中也說(shuō)不準(zhǔn)。

RISC-V架構(gòu)下的3D GPU

ThinkSilicon是一家罕見(jiàn)的來(lái)自希臘的IP公司，早在2007年就已成立，主要致力于小型超低功耗的2D/3D GPU核心，用于移動(dòng)和可穿戴設(shè)備。然而在希臘的企業(yè)環(huán)境下，半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)難以找到資本投入，導(dǎo)致公司十余年來(lái)沒(méi)有盈利，直到近幾年才有所好轉(zhuǎn)。2020年，這家公司被半導(dǎo)體設(shè)備廠商應(yīng)用材料公司給收購(gòu)，成為其全資子公司。2021年3月，這家公司推出了業(yè)界首個(gè)基于RISC-V的3D GPU NEOX。
NEOX是一個(gè)并行多核多線程的GPU架構(gòu)，基于RISC-V的RV64C指令集與自適應(yīng)NoC。NEOX可內(nèi)置1到16個(gè)簇元素，集成4到64顆核心，每個(gè)簇都可以配置緩存大小和線程數(shù)。取決于簇/核心數(shù)量的配置，NEOX GPU的算力在12.8到409.6GFLOPS(800MHz)之間,支持FP16和FP32的浮點(diǎn)精度。
ThinkSilicon提供NEOX的SDK、系統(tǒng)VerilogRTL、集成測(cè)試、LLVM C/C++編譯器、GCC C/C++編譯器。目前NEOX 支持開(kāi)放圖形框架，比如OpenGL ES和Vulkan。其次NEOX也有很強(qiáng)的定制性，支持計(jì)算機(jī)視覺(jué)、AI計(jì)算與用戶自定義的擴(kuò)展。

不過(guò)目前NEOX對(duì)系統(tǒng)的支持還很有限，僅支持Linux、RTOS和WearOS，要想作為消費(fèi)級(jí)的GPU的話，沒(méi)有Windows和安卓這兩大平臺(tái)的支持的話，也是很難做起來(lái)的。但考慮到ThinkSilicon的老本行就是主要做IoT設(shè)備、可穿戴和小屏嵌入式設(shè)備，在系統(tǒng)支持和算力上其實(shí)也無(wú)需多高的要求。

根據(jù)ThinkSilicon的說(shuō)法，他們將NEOX視為一種靈活可擴(kuò)展的GPU方案，支持在資源有限的設(shè)備上快速部署AI、機(jī)器學(xué)習(xí)和GPGPU應(yīng)用程序，并以超低功耗的優(yōu)勢(shì)顯著延長(zhǎng)電池壽命。

該芯片的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)總監(jiān)Iakovos Stamoulis博士也是從業(yè)20余年的半導(dǎo)體老將了，20年前還在Advanced Rendering Technology工作期間，他就聯(lián)合開(kāi)發(fā)首個(gè)光追圖形引擎芯片AR350。在這樣的大佬帶領(lǐng)下，ThinkSilicon或許有機(jī)會(huì)更進(jìn)一步，把RISC-V GPU往光追這樣的先進(jìn)圖形技術(shù)上發(fā)展。

開(kāi)源GPU生態(tài)

RISC-V作為一個(gè)開(kāi)源指令集，自然也少不了開(kāi)源的RISC-V GPU。同樣在去年，一個(gè)RISC-V開(kāi)發(fā)小組發(fā)布了一個(gè)項(xiàng)目，名為RV64X，其目的就是為了補(bǔ)全RISC-V的3D圖形與多媒體處理指令集，將GPU集成在RISC-V處理器上。RV64X小組的成員來(lái)自于各大參與RISC-V標(biāo)準(zhǔn)制定與開(kāi)發(fā)的公司，包括Pixilica、高云半導(dǎo)體和西部數(shù)據(jù)。
首個(gè)RV64X的原型GPU設(shè)計(jì)主要面向MCU，且將僅限于支持Vulkan圖形API，但他們承諾未來(lái)也會(huì)增加對(duì)OpenGL乃至DirectX的支持。RV64X的另一大特殊之處在于它將作為一個(gè)CPU-GPU混合的ISA迭代，這樣在完成通用計(jì)算任務(wù)的同時(shí)也能完成圖形計(jì)算任務(wù)。此外，RV64X采用了單內(nèi)存模型的設(shè)計(jì)，消除了處理3D API運(yùn)算時(shí)，GPU內(nèi)存與CPU之間的額外調(diào)用。

根據(jù)PixilicaCEO AtifZafar的回復(fù)，RV64X小組已經(jīng)被RISC-V國(guó)際基金會(huì)認(rèn)可為圖形工作組，他們也已經(jīng)準(zhǔn)備好了初期的規(guī)范以供審核，后續(xù)會(huì)整合到RISC-V規(guī)范中。但新擴(kuò)展的推出往往需要一段時(shí)間，所以在此之前都不會(huì)有任何代碼或RTL公布。
再者就是去年因?yàn)殚_(kāi)發(fā)CUDA移植而火了一把的VortexGPU，Vortex是一個(gè)低成本的RISC-V GPGPU加速器方案，利用了現(xiàn)有的ISA和軟件棧，當(dāng)下的FPGA就能滿足其資源要求，比如英特爾的Arria10和Stratix10等等。不過(guò)目前的軟件棧暫時(shí)僅支持OpenCL 1.1 API，除了正在開(kāi)展移植工作的CUDA外，Vortex還計(jì)劃支持Vulkan、OpenVision和Tensorflow等，并移植到Xilinx的FPGA上。

結(jié)語(yǔ)

從以上進(jìn)展來(lái)看，RISC-V的GPU生態(tài)發(fā)展還在初期，但無(wú)論是RISC-V公司、老牌GPU企業(yè)和開(kāi)源社區(qū)都開(kāi)了個(gè)好頭，未來(lái)相信會(huì)有更多玩家的加入。國(guó)內(nèi)近年來(lái)也涌現(xiàn)了不少優(yōu)秀的GPU公司，或許他們也會(huì)就著這個(gè)勢(shì)頭跟進(jìn)。