一款RISC-V CPU的诞生

我（指代本文作者YIFTACH GILAD，nextsilicon创始人，下同）在英特尔工作了18年，从事处理器研发。我从未想过自己会组建一支优秀的团队，并从零开始，采用全新的架构打造一款CPU。Arbel的这段经历值得讲述，我希望它能为高性能RISC-V产业开辟新的天地。

在我的职业生涯的大部分时间里，CPU 就是我的全部。我参与过架构、设计和执行等各个环节，近距离见证了构建高性能处理器核心所需的一切。这是计算机领域最艰巨的工程挑战之一。它需要深厚的架构判断力、多年积累的知识、一丝不苟的细节把控，以及一支经历过只有真正的 CPU 团队才能理解的错误教训的团队。

所以，当我第一次见到 Elad Raz 和 NextSilicon 的创始人时，他们告诉我他们想制造自己的 CPU 内核，我并没有立刻说：“好主意。” 我以为他们在做梦。

NextSilicon 最初并非一家 CPU 公司。它是一家年轻的公司，致力于打造一种新型加速器，基于一种全新的数据流架构，该架构能够根据正在执行的工作负载，通过软件动态地重新配置硬件。在公司内部，我们称之为软件定义硬件。这一理念最终演变成了 Maverick，我们面向高性能计算和人工智能工作负载的加速平台。当时的雄心壮志可谓无比宏大。

随后，埃拉德提出了一个更具雄心的观点：仅仅加速是不够的。如果NextSilicon想要构建下一代计算基础设施，我们不能仅仅构建加速器。我们需要掌控整个计算平台，包括CPU、加速器、内存、网络、软件以及它们之间的交互方式。

为此，我们需要自己的处理器核心。不是小型嵌入式控制器，也不是“足够好”的核心，而是真正的高性能处理器核心。

当时，我认为这几乎是不可能的。并非因为这个想法本身有问题，而是因为我深知它的真正含义。打造一款具有竞争力的CPU核心并非几个聪明人凭空捏造就能完成的。它需要领域专业知识，需要微架构经验，需要严谨的验证流程，需要对物理设计进行深入研究，需要软件支持，还需要耐心。

这还需要信誉。

说服优秀的CPU工程师加入这项任务并非易事。他们中的许多人曾在大型处理器公司工作多年，深知其中的艰巨性。他们也知道有多少公司尝试过却以失败告终。他们明白，所有关于CPU的演示文稿在幻灯片上看起来都很完美，而真正的芯片才能揭示真相。

所以，挑战不仅在于技术，还在于人。

我们必须让人们相信这不是天方夜谭。我们必须让他们相信，一个精干的小团队，只要组建得当，就能完成通常需要更大组织才能完成的事情。我们必须让他们相信，NextSilicon 并非因为 CPU 听起来时髦才去制造它，而是因为我们的架构需要它。

慢慢地，合适的人开始加入。他们加入后，我们的使命就变得清晰起来：我们要把核心系统打好。

我们的首要目标很实际，但并非人们通常理解的那种加速器。Arbel 并非一款独立的 CPU 产品，它最初是 Maverick 平台内部的一个项目，旨在满足其需求。在高性能计算 (HPC) 领域，工作负载自然分为并行和串行两部分。并行计算密集型部分运行在 Maverick 的数据流架构上，而串行部分（无法并行化的部分）仍然依赖于强大的 CPU。我们需要高性能的 RISC-V 内核来高效处理串行执行，而 Maverick 则专注于并行工作负载。

这就是后来 Arbel 的开端。

第一代产品并非旨在取悦市场，而是为了向我们自己证明我们方向的正确性。它是一个乱序执行、超标量、仅处理整数的 RISC-V 内核，集成在加速器中。其目的是建立信心、验证架构，并为我们未来的发展奠定坚实的基础。

它成功了。它运行了Linux系统，也运行了BusyBox软件。这证明了梦想并非只是梦想。从那时起，我们继续前进。

我们增加了更多功能，提升了系统复杂性，从内部基础设施转向了更高性能。我们继续构建核心系统、围绕核心系统的组件、验证环境、性能模型和软件栈。

我们添加了真正高性能CPU所需的所有组件：向量运算能力、一致性、更强大的内存结构、更广泛的执行范围以及更好的系统集成。我们不再仅仅局限于能否制造一个核心，而是着眼于能否制造出一款能够成为下一代计算平台重要组成部分的CPU。

接下来是下一个重大步骤：Arbel 测试芯片。

正是从这里开始，该项目不再仅仅是 Maverick 的内部支持工具。测试芯片是一款双核、相干、高性能的 RISC-V 系统，运行频率为 2.4 GHz，支持 PCIe Gen5、CXL 和基于 CHI 的片上网络。我们将其与现成的 CXL DDR 和 PCIe 组件集成，用于内存、磁盘、网络和 USB。换句话说，我们不仅仅是制造了一颗芯片——我们制造了一台迷你电脑。

一套真实的系统。真正的硅芯片。运行Linux和Ubuntu系统。开箱即用，支持GCC和LLVM。运行基准测试。运行真实软件。展示真实性能。并且公开展示，不是渲染图，也不是未来承诺，而是可运行的硬件。

这很重要。

RISC-V 世界已经见证了许多精彩的演讲，许多发展路线图，以及许多大胆的宣言。但高性能 CPU 芯片却截然不同。当你真正拿到芯片的那一刻，一切都变了。

对我们来说，这一点始终至关重要。我们只在拿出芯片进行展示后才选择公开讨论。因为在CPU设计领域，幻灯片固然重要，但芯片才是真理。

测试芯片不仅让我们对功能充满信心，也让我们对性能充满信心。与硬件开发同步，我们构建了一个周期精确的仿真器，用于性能分析和评估。我们将其与FPGA进行了对比，然后又与硅芯片进行了对比。这种对比至关重要，因为它使我们能够更有信心地从当前的测试芯片过渡到下一代芯片。

而下一代产品是 Arbel 服务器级 CPU。

Arbel 最初是为了支持我们的 Maverick 加速器而设计的。但我们周围的世界发生了变化。人工智能变了，高性能计算变了，数据中心也变了。这让我们意识到，Arbel 的故事已经超越了 Maverick 本身。

多年来，业界似乎认为加速器就是一切。GPU、定制加速器、矩阵引擎、张量单元，所有这些都至关重要。但随着人工智能系统变得越来越智能、交互性越来越强、也越来越复杂，仅仅依靠加速显然是不够的。

我们开发 Arbel 的原因是，智能体 AI 改变了 CPU 需要执行的操作。

人工智能代理不仅仅是一个运行静态推理过程的模型。它会调用工具，触发代码，检索信息，协调服务，执行复杂的流程，跨系统通信，管理内存，并与操作系统、网络、存储、数据库和其他加速器进行交互。

在那个世界里，CPU不再是可有可无的部件。它需要运行速度快、响应迅速，并确保整个系统持续运转。它需要为加速器提供数据，协调软件栈，管理工作负载中不可预测的部分，并处理随着人工智能系统自主性增强而变得愈发重要的控制流。

这是当今计算机领域最大的变革之一。

加速器仍然至关重要，但围绕加速器构建的系统也变得同样重要。如果CPU无法跟上速度，整个平台都会受到影响。瓶颈将从数学引擎转移到编排、内存移动、调度、网络和软件执行。

Arbel 的设计理念源于工作负载需求，而非沿用现有架构的限制。我们探究下一代 AI 和 HPC 系统对 CPU 的具体需求，尤其是在 CPU 与 Maverick 等自适应加速器协同工作的情况下。我们思考如何构建一款既能满足传统数据中心工作负载需求，又能满足智能体 AI 新兴需求的处理器。

最终成果是一款专为下一代人工智能和高性能计算系统设计的CPU，它基于开放式指令集架构（ISA），赋予客户更大的控制权。量产版处理器将在此基础上更进一步。

也正是在这个时候，RISC-V 不仅仅是一个有趣的指令集架构选择。

一开始，我对RISC-V知之甚少。在英特尔工作了18年后，我深信x86架构，并认为它会在未来很多年里继续保持高性能架构的主导地位。但随着我们对RISC-V的研究不断深入，它变得越来越有趣。

这个决定并非轻而易举。一方面，RISC-V 赋予了我们自由。我们不再依赖于专有的 CPU 路线图，无需等待其他公司的优先级，也没有限制我们构建内容的许可结构。我们可以为自己的系统设计所需的架构。

另一方面，RISC-V生态系统尚不成熟。软件栈仍在开发中，服务器规范也在不断演进。问题不仅在于我们能否制造出RISC-V CPU，更在于RISC-V生态系统能否快速成熟，从而使RISC-V能够在高性能计算和数据中心基础设施领域拥有强大的竞争力。我们决定冒险一试。

现在看来，我认为当初的决定是正确的。

RISC-V 生态系统取得了显著进展。软件栈更加强大，规范日趋成熟。社区正从嵌入式和学术讨论转向真正的服务器级计算。在 NextSilicon，我们已经构建了多代 RISC-V 芯片，并制定了面向完整服务器级 CPU 的路线图。

Arbel 是一款 64 核服务器级高性能 CPU 芯片组。它专为满足数据中心的需求而设计，包括虚拟化、安全性、可靠性、可调试性、高带宽 I/O 和现代内存配置。它适用于独立服务器以及与 Maverick 等加速器协同工作的系统。

但最重要的不是清单，而是核心内容。

高性能CPU内核并非通过在框图上添加功能而创建，而是由数千个精细的微架构决策构成，包括：取指带宽、分支预测、内存分配、执行、内存排序、缓存层次结构、加载到使用延迟、一致性、向量和浮点单元、验证、时序、功耗、面积以及物理实现。

这就是领域专业知识的重要性所在。很多团队都能实现指令集架构（ISA），但只有极少数团队能真正构建出高性能的CPU核心。

在 Arbel 项目中，我们做出了多项体现这些经验的深层次架构选择。我们构建了一个强大的前端，具备高读取速度，而无需依赖昂贵的微操作缓存。我们设计了一种虚拟 L1 缓存结构，在解决别名和标签管理等实际难题的同时，实现了低加载到使用延迟。我们构建了一个原子性的 L1 填充和驱逐流水线，降低了硬件复杂度，避免了不必要的缓冲。我们设计了强大的执行资源、高效的内存操作、向量和浮点运算能力，以及扩展所需的底层架构。

这些并非营销噱头。它们是决定CPU是否真正可靠的关键细节，而且除非团队拥有CPU设计方面的经验，否则这些细节很难做到尽善尽美。

这就是我为团队的成就感到自豪的原因。这不仅是因为我们打造了一款雄心勃勃的产品，更是因为我们以高性能CPU设计所需的严谨态度完成了它。我们最初抱持怀疑态度，但我们成功研发出了第一批芯片，将核心集成到Maverick系统中，不断扩展功能，构建了完整的测试芯片，运行了实际软件，验证了性能。现在，我们正朝着服务器级CPU的目标迈进。

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