Occamy 432 核 RISC-V 芯片流片成功，基于2.5D Chiplet设计

由瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和博洛尼亚大学的工程师团队联合开发的Occamy处理器已接近完成。这颗芯片在2021年4月20日开始研发，2022年7月基于GlobalFoundries 12nm FinFET技术流片成功，同年10月采用GlobalFoundries 65nm Hedwig无源硅中介层进行流片。这两次流片都得到了Fraunhofer IIS的Europractice-IC团队支持。

据悉，Occamy团队成员只有不到25人，其中大部分是博士生。

目前已知的一些芯片特性

据悉该芯片属于并行超低功耗(PULP)平台项目，包含两个计算单元（CPU），每个采用了216个32位RISC-V内核的Chiplet设计、未知数量的64位浮点单元(FPU)，以及两颗来自美光的16GBHBM2E内存。这颗处理器的内核通过中介层实现互连，双块CPU估计峰值性能为：FP64时达到0.768TFLOp/s，在FP32时达到1.536TFLOp/s，在FP16时达到3.072TFLOp/s，在FP8精度时达到6.144TFLOp/s。

65纳米无源硅中阶层Hedwig配备两个Occamy计算Chiplet，每个芯片都有来自美光的专用16GB HBM2e DRAM和用于芯片间通信的die-to-die接口

在该芯片中，研发人员将名为Snitch的小型超高效有序32位RISC-V整数内核，与通过单指令多数据(SIMD)增强的大型多精度FPU相结合，实现以下FP格式的功能：FP64(11,52)、FP32(8,23)、FP16(5,10)、FP16alt(8,7)、FP8(5,2)、FP8alt(4,3)。除了标准的RISC-V融合乘法累加(FMA)指令外，两种8位和两种16位FP格式还具有新的扩展和点积和三加数求和（exsdotp、exvsum和vsum） 指令。

为了在数据并行FP工作负载上实现超高效计算，研发人员利用了两个自定义架构扩展：数据可预取寄存器文件条目和重复缓冲区。相应的RISC-VISA扩展流语义寄存器(SSR)和FP重复指令(FREP)使Snitch内核能够为计算绑定内核实现高于90%的FPU利用率。

据悉该团队还设计了新的扩展，用于提高稀疏数据结构和模版的效率，这些扩展将在不久的将来提供。

每个Occamy 每颗Chiplet包含超过216个Snitch内核，这些内核以四个计算集群为一组进行组织。每个集群在八个计算内核和一个高带宽（512位）DMA增强内核之间共享一个紧密耦合的内存，用于编排数据流。基于AXI的宽多级互连和专用DMA引擎有助于管理巨大的片上带宽。支持CVA6Linux的RISC-V核心管理所有计算集群和系统外围设备。每个Chiplet都有一个专用的16GB高带宽内存(HBM2e)，并且可以通过19.5GB/s宽、源同步技术独立的die-to-die DDR链路与相邻的Chiplet进行通信。

Occamy包括6组4个计算集群，host CVA6，来自Rambus的HBM2e控制器IP，以及一个源同步串行DDR die-to-die链接

Occamy是一款用于AI和高性能计算工作负载的低功耗芯片，其轻量级的32位CPU核心更像是一个控制芯片，负责将任务重新路由到AI核心。今天的AI工作负载在很大程度上依赖于GPU和AI核心等加速器来进行训练和推理，研究人员希望开源芯片也可以用于太空中的AI工作负载。

单个Occamy芯片以1GHz的频滤运行时功耗是10瓦，因此两个芯片加上HBM内存会使最终芯片的功耗增加一倍以上。Occamy的具体功耗没有被透露，据悉团队正在等待合作伙伴Fraunhofer IZM将芯片组装进系统，预计很快就可以收集（和公布）测量到的相关数据。

无心插柳的Chiplet设计

这款432核芯片是新旧技术的有趣结合，当下热门的Chiplet设计优点之一是允许在芯片封装内混合和匹配新旧技术，例如模拟或数字处理器，后续还可以在封装中添加其他功能模块，以便在需要时加速某些工作负载。每颗Occamy芯片中都有216个RISC-V内核和用于矩阵计算的FPU，这颗尺寸72mm2的小小芯片上总计大约分布了10亿晶体管，与英特尔2011年制造的四核SandyBridge芯片大致相同（大三倍）。

苏黎世联邦理工学院Occamy 团队表示，该项目最初是其在2020年HotChips会议上提出的Manticore高性能架构概念的偶然成果。在会议之后，GlobalFoundries找到了PULP平台团队，提出了将概念架构转化为真正的硅设计的令人兴奋的建议。

目前的研究原型，用于展示和探索基于RISC-V的架构在2.5D集成Chiplet系统中的可扩展性、性能和效率。该项目由GlobalFoundries提供技术支持、专家建议、生态系统赋能和流片预算，Rambus提供HBM2e控制器IP和集成支持， Micron提供HBM2eDRAM供应和集成支持，新思科技（Synopsys）在EDA工具许可以及Avery在HBM2eDRAM验证模型上的支持使该项目成为可能。此外合作伙伴们也对该项目给予了资金上的支持。

作为对比，英特尔AlderLake裸片尺寸为163mm2。就性能而言，英伟达A30GPU具有24GBHBM2显存，可提供5.2FP64/10.3FP64的TensorTFLOPS以及330/660(稀疏性)INT8TOPS。

欧洲航天局看好的芯片

据公开资料显示，Occamy是欧洲航天局（ESA）正在考虑用于航天计算的众多芯片之一。他们制定了一个EuPilot计划（EuropeanPILOTProject），旨在通过创建一套在欧洲设计、实施、制造和部署的自主加速器，交付第一个基于全欧洲开源和开放标准的软件和硬件集成HPC系统。加速器将采用新的欧洲GlobalFoundries先进工艺技术制造，以展示欧洲技术的独立性。

EuPilot计划正在开发本土处理器以减少对专有x86和Arm架构芯片的依赖，也在为超级计算机、人工智能、物联网和自动驾驶汽车开发自主可控芯片。

虽然此前很多报道称Occamy项目是针对太空项目开发的，但根据《电子工程专辑》从苏黎世联邦理工学院Occamy项目团队独家获悉，该团队并未为针对对太空探索等方案来设计这个项目，所以它不是作为EUPilot计划的一部分设计的。

不过ESA对这些芯片很感兴趣，因为它将允许太空中的设备执行片上数据分析。虽然不能保证ESA会让该芯片投入太空运行，但它是正在探索用于航天计算的众多处理器之一。美国这边，NASA也采用了Microchip和SiFive的RISC-V芯片来升级其航天计算机。

据介绍，Occamy可以在FPGA上进行仿真运算，该实现已在两个AMDXilinxVirtexUltraScale+HBMFPGA和VirtexUltraScale+VCU1525FPGA上进行了测试。设计Occamy芯片的研究人员希望芯片设计能够被采用并被低成本地复用，衍生产品可能会在汽车、航空电子设备和太空中找到合适的应用场景。这些领域需要高性能和极高的能源效率，而RISC-V在这些领域中正迅速获得青睐。据悉该团队也在积极寻找在未来项目中与ESA合作的方案。