近年来，开源RISC-V架构因其灵活性和开放性逐渐成为处理器设计领域的热点。尤其在汽车和航天等高性能计算需求领域，追求高指令每周期执行数（IPC）的超标量与乱序执行技术受到了极大关注。尽管如此，实现这些高性能特性的开源RISC-V核心在实际推广中仍面临诸多挑战。首先，部分高性能核心（如BOOM、Xiangshan）采用Chisel语言开发，这使其与工业级电子设计自动化（EDA）工具的兼容性较为有限。其次，有些核心如XuanTie C910使用了专有接口与协议，包括非标准AXI协议的扩展，以及复杂的中断与调试支持，这使得其在开放标准环境下的应用受限。为了克服这些局限，研究人员对C910核心进行了修改，以实现其在调试、中断及内存接口方面完全符合RISC-V标准，增强了其开放性和互操作性。
同时，推出了基于开源CVA6核心的增强版本CVA6S+，这是一款双发射、产业支持的超标量处理器，性能较原版CVA6提升了约34.4%。在同一制程（22纳米）、相同系统级芯片（SoC）框架——即开放式模块化SoC Cheshire——以及相同的设计工具和方法论下，人们对三种具有代表性的微体系结构进行了深入比较。这三种架构涵盖了从单发射顺序执行的CVA6，到双发射顺序执行的CVA6S+，再到超标量乱序执行的C910。在面积与性能方面的比较符合预期：与标量CVA6相比，CVA6S+的芯片面积增加了6%，IPC则提高了34.4%；C910则因复杂的乱序机制，面积膨胀75%，但性能翻倍增长达119.5%。表面上看，高性能微架构往往伴随着大幅面积和能耗的牺牲。然而，细致的能效分析打破了这一传统认识。
CVA6S+在面积效率（每平方毫米计算能力）方面表现出色，成为面积使用的优胜者。与此同时，C910凭借其先进的乱序执行机制，展现出极具竞争力的能源效率（每瓦特计算能力）。这一发现挑战了高性能架构必然牺牲能量效率的既定观念，说明合理设计可以实现性能与能效的双赢。开源RISC-V架构的这些进展，对于推动产业内核自主可控及定制化设计意义深远。汽车电子和航天 avionics等对能效有极高要求的领域亟需兼顾性能和功耗的处理器方案，而超标量乱序执行设计在满足多样化需求上展现出巨大的潜力和弹性。除了硬件架构优化，实施标准化接口同样关键。
去除非标准协议的依赖，加强与主流工业EDA工具的兼容性，是推动开源核在产业界广泛应用的前提。C910核心在此方面的改进为业界树立了良好的示范，推动了开源RISC-V生态的健康发展。而CVA6S+通过性能和面积平衡的设计思路，展现了如何借助适度复杂度获得显著性能提升，符合大规模成本敏感应用的需求。在未来的发展中，开源RISC-V生态需要继续深化微架构创新和系统集成技术。更高效的乱序执行单元、智能的功耗管理机制，以及适配更多应用场景的模块化SoC设计，将成为提高开放处理器竞争力的关键要素。此外，加强软硬件协同优化，比如编译器前端的智能调度与动态预测技术，也将促使超标量乱序处理器以更低能耗实现更高性能。
总之，随着技术的日益成熟和标准化的持续推进，开源RISC-V处理器在高性能与高能效领域的竞争力不断增强。本文所在的对C910与CVA6系列内核的能效与性能剖析，为设计者和产业决策者提供了宝贵的参考，帮助他们在未来的处理器设计中获得理想的性能与能效平衡。展望未来，兼具开放性、效率和性能的开源RISC-V处理器将成为推动智能设备、自动驾驶、边缘计算乃至航天等重要领域发展的坚实基石。
