基于 RISC-V 的开源 GPU 架构（RV64X）

一群工程师正在推进一套面向 3D 渲染和媒体处理的新型图形指令集。这些指令扩展了 RISC-V 基础向量 ISA，引入了图形专用数据类型和分层扩展，涵盖向量、超越数学、像素操作、纹理以及 Z/帧缓冲操作。该提案名为 RV64X，采用 64 位指令，提供稳健、统一的 CPU-GPU ISA。

为何现在？

商用 GPU 在主流负载上表现优异，但在小众任务上往往力不从心，例如双阶段 3D 视锥裁剪、自适应 HPC（如任意位深 FFT）和硬件 SLAM。社区驱动的开放标准可将 10-20 年的开发周期大幅缩短，促进交叉验证，并为更广泛的应用提供灵活、可扩展的解决方案。

团队的愿景是打造一个紧凑、面积效率高的核心，提供可定制的可编程性和可扩展性。它将作为免费开源 IP 提供，面向 FPGA 和 ASIC 目标，初期瞄准低功耗微控制器。设计将符合 Vulkan 规范，未来支持 OpenGL、DirectX 等 API。

最终硬件将是一个集成了 GPU 功能单元的 RISC-V 核心。对程序员而言，它呈现单一的 64 位指令集；标量操作码带有向量上下文前缀，使编译器能在后台生成 SIMD 指令。架构支持可变发射、予取 SIMD、向量前端、精确异常、分支影子等特性。CPU-GPU 通信无需单独的 RPC/IPC 层。将支持 16 位定点（适合 FPGA）和 32 位浮点（适合 ASIC 或 FPGA）。

设计借鉴了 Libre GPU 项目的 Vblock 格式：

• 类 VLIW 结构，用寄存器上下文标记标量指令
• 子块提供向量长度、swizzle、位宽覆盖和予取
• 无专用向量操作码；当标量操作码引用向量标记寄存器时激活向量模式
• 硬件级 for 循环执行多条连续标量操作，根据厂商选择实现为 SIMD、多发射或单次执行

支持的数据类型包括 8、16、24、32 位定点和浮点标量，以及超越函数（sincos、atan、pow、exp、log、rcp、rsq、sqrt 等）。RV32-V 向量支持 2-4 元素操作，元素位宽 8、16、32 位，并提供 3D 图形管线专用指令：点（XYZW）、像素（RGBA）、纹素（UVW）、材质系数。

• XYZW 点（64 位和 128 位定点及浮点）
• RGBA 像素（8、16、24、32 位）
• UVW 纹素（每分量 8、16 位）
• 材质参数（Ia、ka、Id、kd、Is、ks…）

原生支持 2×2、3×3、4×4 矩阵，统一以 4×4 存储以简化实现。

融合 CPU-GPU ISA 的优势包括微代码驱动的图形管线、自定义着色器支持、光线追踪扩展，以及面向 AI 和机器学习负载的 8 位整数向量支持。

可实现自定义光栅化器，如样条曲面、细分补丁和专用镶嵌器。架构完全可配置，支持用户定义的管线阶段、几何/像素/帧缓冲操作和实例化。

RV64X 框图

参考实现将包含：

• 32 KB 指令/数据 SRAM 缓存
• 8 KB 微代码 SRAM
• 双功能指令解码器
  • 硬连线 RV32V 和 RV64X 支持
  • 面向自定义扩展的微代码解码器
• 四通道向量 ALU（32 位定点/浮点）
• 136 位寄存器文件（1K 元素）
• 特殊功能单元
• 纹理单元
• 可配置本地帧缓冲

架构内建可扩展性，如下图所示。

RV64X 的可扩展设计

关键创新包括统一的 CPU-GPU ISA、用于自定义数据类型的可配置寄存器，以及基于 SRAM 的用户定义微代码，支持应用专用扩展——自定义光栅化阶段、光线追踪、机器学习和计算机视觉。

同一核心既可作为独立图形微控制器，也可作为可扩展着色器单元，支持 FPGA 原生和 ASIC 实现。

为何开源图形？

当前 GPU 主要面向高端市场——游戏、高频交易、视觉、机器学习——留下了主流设备的空白：自助终端、广告牌、赌场游戏、玩具、机器人、可穿戴设备、工业 HMI、车载信息娱乐和汽车仪表。面向 RISC-V 的开放、可扩展图形核心将减少多语言负担，并推动这些领域的创新。

后续步骤

规范处于早期并持续演进。团队计划启动讨论论坛、构建指令集模拟器，并利用开源 IP 开发 FPGA 原型。基准测试和演示正在进行中。有意向的开发者请联系 Atif Zafar 参与。

与此同时，Libre-RISC-V 3D GPU 计划旨在创建混合 CPU/VPU/GPU SoC——而非专用 GPU——为各类嵌入式应用提供完整的 Libre 许可处理器。

行业背景

GPU 生态系统现包含十余家主要厂商：Apple、Qualcomm、AMD、Nvidia、Arm、Intel、Think-Silicon、DMP、景嘉微、芯原、Imagination Technologies 以及新兴的 RISC-V 图形社区。

免费灵活 GPU 的潜在用例超越图形，涵盖加密货币挖矿等计算密集型负载。

普及至少需要两年。目前在 Zynq 系列集成 Arm Mali 的 Xilinx，以及多家中国厂商，有望成为早期采用者。

► 本文原载于姊妹站点 EE Times。

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