采用risc-v架构的处理器不经意出现在日常电子产品中，似乎已经变得越来越稀松平常了：不仅是一些典型的mcu厂商开始拥抱risc-v。
而且还体现在一些业已成熟的产品中，如今年的中国ic领袖峰会上，，了解到如今十分成熟的tcon芯片内部竟也不显山、不露水地加入了risc-v小核心；还有像是前些年英伟达就开始在其gpu产品中选择risc-v作为控制器；西数也在整个产品线上开始选择risc-v核。
这让我们对于risc-v指令集的处理器微架构也愈发感兴趣：去年10月，sifive发布了首款risc-v乱序cpu核心，u8系列处理器ip。sifive在宣传中提到，u8系列是目前最高性能的risc-v指令集核心ip（似乎晚于玄铁910），“基于超标量乱序管线，以及可配置的管线深度和发射序列宽度”。
sifive在risc-v的微架构ip授权中还是相当活跃的一家企业，其7系与8系ip核，作为risc-v世界的高性能核心，是我们观察risc-v当前发展情况的一个重要窗口，虽然微架构剖析大约并不能特别好地呈现指令集本身的特性，但通过它们与arm的对比，也是了解risc-v生态的机会。
最高性能的risc-v核心，比起arm如何？
我们首先有必要搞清楚，sifive内部针对不同系列的产品的定位。在今年4月sifive举行的一场名为"embedding intelligence everywhere with sifive 7 series core ip"的在线会议上，sifive曾经对自家产品线进行过总结。sifive的e系列核心，着眼在32bit嵌入式使用场景；64bit的s核心则偏向算力需求更大的场景；而u系列核心是性能最强的定位，面向高端计算。
若以数字为切分维度，sifive的2系列是risc-v处理器ip中效率最高，同时也最小型的处理器ip；3系列、5系列则在部署上更为广泛，用在一些多核配置和对实时处理能力要求较高的场景；7系列和8系列如上所述都着力于高性能。数字与字母组合，就构成了不同的产品，比如说e3面向中端定位的嵌入式应用提供32bit性能；s7显然是专注在性能方面的产品；u8则实现了可规模化配置的高性能核心，达成最高的每瓦性能。
在u8发布之前，sifive的高算力产品主要就是u5、u7——这两者仍是顺序架构，对标的是arm的低端及微控制器核心，在面对更为复杂的负载、要求算力的场景下还是有欠缺的。u8系列是弥补这个短板的产品。sifive当时宣称，u8将极大扩展sifive与risc-v在终端产品中的生态系统生存能力。
在sifive u8系列产品下，目前主要包括u84、u87两个核心ip。sifive自己给的数据是，u84核心的性能是u74的3.1倍，ipc提升2.3倍（在最高频率提升1.4倍的情况下）。上面这张图对比中，在相同工艺的前提下，u84性能是u54的5.3倍；如果加上工艺造成的差别，则7nm的u84核心，性能达到了28nm的u54核心的7.2倍。这个数据其实一方面表明，risc-v的性能潜力这些年还在挖掘过程中，所以相比更低端的产品能有如此巨量的性能与效率差距。
这是risc-v自己内部在fpga平台下跑u84 ip的成绩，比较的是specint2006成绩。
sifive此前在新闻稿中给u8树立的直接竞争对手是arm cortex-a72，其中提及相比arm cortex-a72核心，sifive u84提供可媲美的性能。不过在面积效益和每瓦性能方面，u84还是有优势，当然我们知道a72已经是arm前两年的架构了。
同是7nm工艺的前提下，u84的每个核心占地面积在0.28mm²，四个核心加上2mb l2 cache构成一个簇，面积为2.63mm²。此前华为krin 980的cortex-a55小核心，每个核心配上各自128kb的l2 cache，面积为0.36mm²——要知道a72的性能是a55的两倍还多，显然在ppa方面，sifive u84表现不错。
需要强调的是，u8系列作为ip在面向具体的芯片产品时还是有很大的可配置和扩展性的，u84是作为一个标准ip存在的，所以这里的探讨仅基于sifive的标准ip，具体到实际产品仍然会有差别。
7系列与8系列微架构
或许很多人并不会将risc-v这样一个指令集，在高性能领域去与arm一决高下，毕竟risc-v当前的主场也不在此——iot产品对碎片化问题更不敏感，也不像手机那样对处理器性能有那么高的要求，risc-v在很多情况下也偏向以微控制器的姿态存在。不过在我们看来，这依然是表现risc-v阵营技术能力的重要组成部分。
risc-v可查阅的资料当然还远没有arm世界那么多，已经商用的risc-v处理器——无论是mcu中的处理器，还是某些硬件中的控制器，公开的技术细节也并不多，详实程度自然不及遍地开花的arm。我们从有限的资料中去了解sifive的7系列与8系列处理器微架构，对于理解risc-v生态还是有价值的。
如前文所述，u8系列是sifive的首款乱序核心，u84流水线深度12级，后端3个执行单元——还是相当传统的乱序执行设计。这里的寄存器组（regfile）设计还是颇为与众不同。
从前端来看，核心的取指单元（fetch queue）能够每周期以16字节从l1l获取指令，将其放到取指队列中。risc-v isa为可变指令编码长度，假定平均是32bit，则对应每周期4个指令。所以u8的解码器（decoder）也是4-wide设计，并将其传递到指令队列（instruction queue）中。
再往后，指令队列能够一次发射3个指令到重命名阶段（rename），这个宽度就比前面收窄了。外媒anandtech此前也在针对这部分的评价中提到，取指阶段的宽度大于发射这种设计，旨在发生分支预测错误时，让前端能够跟上后端；但解码比发射更宽的这种设计，以前还从未见过。猜测这可能是微架构的某种平衡之策，也可能是为将来更宽发射的u8系列ip设计做准备的。从sifive的官方介绍来看，发射队列数应该是可以由芯片设计商来配置扩展的。
重命名阶段的设计比较常规，包含一个重排序buffer，和三个分发引擎。然后就进入到执行后端了。
后端部分，sifive只给了整数执行单元的情况，整体包含3条执行管线。每一条都有其各自的发射队列，填充进3条alu管线。其中一条管线是常规的alu，有一条则与分支单元共享了端口，还有一条更为复杂，可以执行整数乘法和除法操作。
u84这样的核心本身还没有simd、矢量指令支持，似乎是因为扩展指令还未完全就绪。sifive解释说，今年年底这部分会就绪；可能u87就会具备这部分能力——目前我们从sifive凯发旗舰厅官网还未看到这方面的更新。
可扩展性
从构成soc/mcu的更高层级来说，sifive采用一种名为"mix match"的大小核异构设计，共享一个l2可以配置至多9个核心。核心的搭配方式，可以是u8、u7、s2这些不同的核心搭配组合。
参考早前的7系列，采用的是8 1设计，看起来和这次的设计比较相似，但搭配方式上可能会有些差别。wikichip所做的这张图更清晰地表达了这种结构——包括核心、cache等，整体构成一个簇（cluster）。其上还有自定义指令支持（custom instruction extensions），每个核心都能实现特定指令的支持，实现某些特定工作负载的加速——这也是现在很多基于risc-v指令微架构的能力。
7系列的介绍中曾提到，通过tilelink，可以将64个这样的簇放在一颗单芯片上。u8系列核心ip介绍中则只提到了使用tilelink，来连接第三方加速器ip实现core-to-core通信，或者chiplink实现chip-to-chip通信。存储子系统部分详情不多，sifive提到提供高带宽存储接口ip，对于hbm2e 这类需求有帮助，不过这部分工作似乎还在持续。
7系列的核心有可选配一种fio端口（fast i/o），直连到核心，作为核心以及大容量sram或第三方加速器之间的低延迟接口——这种fio端口还与main core complex bus总线相连，其他核心也能看到sram或者第三方加速器。不知道这种fio端口，与sifive的tilelink技术是什么样的关系。
在可扩展性的问题上，u8系列还有一些特性：（1）对不同工艺节点的支持；（2）乱序设计可做配置，前文提到u84这种标准核心是12级流水线、3发射，实际上流水线深度、发射队列数等都是可以针对不同应用做具体调整的；（3）整数单元到浮点单元的跨发射（cross-issue）能力；（4）“可组合cache”达成实时操作支持。
如前文所述，sifive的7系列与8系列在当今risc-v生态中可能没有充足的代表性，不过如sifive所言，这些高性能核心ip对于扩展risc-v生态边界还是有相当价值的。即便就现在看来，arm生态在中高端市场仍然占据着性能和技术上相当的优势。
