英伟达RISC-V去年出货10亿颗，这一数字再次证明了RISC-V架构在嵌入式领域的强大实力。在最近的RISC-V北美峰会上，英伟达多媒体架构副总裁Frans Sijstermans详细阐述了英伟达选择RISC-V作为其嵌入式微控制器架构的原因，以及它如何成为其产品成功的重要组成部分。

　　英伟达与RISC-V的渊源可以追溯到2016年，当时该公司开始将其内部Falcon微处理器（用作GPU产品的逻辑控制器）转换为新的替代方案。在评估了可用的架构后，英伟达选择了RISC-V ISA，从那时起，他们一直在将RISC-V微控制器添加到其产品中并替换掉传统的Falcons。在其10年的生命周期中，英伟达估计已出货了约30亿台Falcon处理器，而这一转变最终将导致数十亿台RISC-V处理器的出货量。

　　通常，每个英伟达芯片组包含10到40个RISC-V核心，具体取决于配置。2024年，根据出货的芯片总数，它们将突破10亿台RISC-V处理器大关。自首次社区会议以来，英伟达一直是RISC-V社区的积极成员，并且几乎一直在董事会层面拥有代表权。他们参与了许多技术工作组，既贡献和分享他们的工作，也从其他社区成员的共同贡献中受益，同时还参与了RISE软件组织。

　　尽管如此，英伟达并不经常与RISC-V联系在一起，这可能是因为它的大部分工作都是内部完成的，而且虽然很重要，但往往与其产品的非面向客户方面有关。这些可以分为三个关键领域，其中RISC-V在英伟达产品组合中发挥着重要作用：功能级控制器包括视频编解码器、显示器、摄像头、内存控制器（训练）、Chip2Chip接口和上下文切换；芯片/系统级控制，包括资源管理、电源管理和安全；数据处理包括网络中的数据包路由和激活以及DLA（非GPU）中的其他DL网络层。

　　英伟达从32位Falcon核心过渡到RISC-V最初是出于对64位功能的需求。他们的第一个RISC-V开发是一个相当普通的双发射无序RISC-V核心，带有标准扩展，可部署为多处理器版本。随后，他们为面积受限的应用程序添加了32位版本，以及带有1024位矢量单元的矢量处理器。英伟达还开发了几个自定义扩展，其中一些是英伟达独有的，另一些则对普通用户有益。例如，2kB页面大小扩展是英伟达独有的，可将旧软件性能提高50%。同样，64位地址扩展在非常大的系统中很有用，例如数据中心，其中内存是分布式的，并且可能相距甚远。

　　相反，他们的指针掩码扩展对于整个社区的安全应用具有实用潜力。因此，英伟达将该扩展提交给RISC-V标准，该标准已获得批准，目前已被众多社区成员使用。英伟达具有额外的扩展，可实现一般功能、安全性和性能，虽然这些都不是特别先进，但对于整个系统来说至关重要。

　　英伟达的SoC使用自己的RISC-V子系统，名为Peregrine。除了RISC-V内核之外，它还包括其他外设，例如DMA和安全IP。Peregrine对英伟达至关重要，因为它允许他们选择和重复使用他们想要包含的30多个系统控制和管理应用程序中的任何一个，而无需每次都进行特定的独立开发工作。RISC-V架构使英伟达能够灵活和模块化地根据需求配置子系统。例如，他们可以选择32位或64位内核，然后选择工作负载所需的特定扩展，从而最大限度地提高开发重用率和投资回报率。

　　类似地，在软件方面，所有30多个应用程序都使用一个单一的堆栈，这允许在应用程序级别大量重用启动、操作系统、分离内核和库等项目。英伟达同样致力于使其产品尽可能安全，包括使用内部攻击性安全团队部署为“黑客”，积极尝试通过查找弱点、漏洞和错误来破坏设计。Peregrine子系统的核心组件是分离内核，可以将其视为非常基本的虚拟机管理程序系统。它将系统划分为彼此独立且可以单独验证的不同部分。这允许用户在单独的分区上运行不同的软件。

　　英伟达拥有30多个不同的系统控制和管理应用程序，这些应用程序使用RISC-V核心，并且可以根据具体用例灵活部署。下面详细介绍了其中两个应用程序。首先，GPU系统处理器(GSP：GPUSystemProcessor)为英伟达带来了软件处理方式的根本性变化。GSP是位于GPU顶部的处理器，它抽象了GPU中可以执行的操作。主机处理器和内核驱动程序不再使用GPU内部的单独控制寄存器，而是直接与GSP通信，GSP将这些高级命令转换为低级控制寄存器速率。GSPPeregrine拥有64位RISC-V处理器，提供单hart和多hart版本。最重要的是，GSP可以完全访问GPU中的所有内容，包括内存和显示控制器，这些都需要在软件中非常小心地管理。

　　从软件角度来看，用户可以部署具有内核驱动程序和多个客户虚拟机的主机处理器。客户虚拟机在GSP上有相应的vGPU运行时分区，分离内核确保它们相互隔离且不会相互干扰。资源管理器交换不同的客户机并确保分配公平。此功能支持特定用例，例如机密计算，其中GPU移交给客户机而不会受到虚拟机管理程序的任何影响。在这种情况下，RISC-V架构对于安全性至关重要，因为它具有特定的隔离功能以及英伟达自己的扩展属性。

　　描述的第二个支持英伟达RISC-V的应用程序是深度学习加速器，它是某些AI专用SoC的一部分。这本质上是一个在图形处理中编程的推理引擎。一个例子是ONNX程序，它表示在深度学习网络中处理的层图。然后，它使用标准RISC-V编译器获取内核代码并将其编译为可执行文件。最重要的是，有一个RVV编译器将其转换为可加载文件。还可以将不同的内核组合成一个内核，以便在运行时实现最快的执行速度。

　　DLA并不会在RISC-V处理器上运行所有东西，主卷积核心和矩阵乘法器是独立的实体。在下面的硬件图中，有两个RISC-V处理器，一个是控制；一个简单的32位单元，然后是矢量，即NVRVV，一个1024位矢量单元。有一个卷积核心和总共六个硬件引擎。例如，Rubik是一个智能DMA数据转换器，可以移动数据，而RISC-VRVV矢量处理器用于大多数非矩阵乘法器的层。简而言之，它本质上是在DLA上运行的完整ONNX实现。

　　总而言之，英伟达选择RISC-V ISA以及它取得成功的原因有5个：定制：定制能力是关键，因为它允许英伟达最大限度地利用硅片。RISC-V许可模式允许他们使用基本ISA作为构建块来调整芯片，并添加适合特定应用要求的扩展和配置文件；硬件/软件协同设计：这是关键，因为它可以确保硬件针对软件工作负载进行优化，从而提高效率和性能；配置选项：标准的“现成”处理器通常针对应用程序进行了过度指定。借助RISC-V，英伟达可以通过仅使用特定所需的扩展来配置其实现，从而节省成本和开发工作；自定义扩展：允许英伟达添加自己的功能要求，如特定功能、安全性和/或性能；一个通用的硬件和软件架构：允许英伟达在其30多个应用程序中重复使用资产，而无需为每个应用程序创建或调整新架构。减少开发工作量、简化部署并降低成本。

　　通过这一系列的努力，英伟达不仅巩固了其在嵌入式领域的地位，也为RISC-V生态系统的进一步发展做出了重要贡献。未来，随着RISC-V架构的不断成熟和应用的广泛扩展，我们可以期待英伟达在这一领域继续引领创新，为行业带来更多突破性的解决方案。

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