超越 CPU 与 GPU：SiFive 在数据中心基础设施中的应用

嵌入 NIC、重定时器、光模块、交换机与安全芯片的 RISC-V 处理器，如何助力现代数据中心突破扩展瓶颈

随着 AI 集群向 1.6T 及更高速率演进，物理互连正成为数据中心亟待解决的关键瓶颈。当前，架构设计人员必须将 800G 光模块的功耗控制在严格的预算范围内 (每个模块约为 8–18 W)，同时还要为未来迈向 1.6T 做好准备——届时，铜缆的传输距离和信号完整性将成为限制因素。CPU 和 GPU 负责执行计算，但底层互连网络的管理完全依赖嵌入式基础设施。硬件团队已在商用交换机、收发器和 SSD 中部署 SiFive RISC-V 核心。SiFive IP 的累计出货量已对应超过 100 亿个核心，并在各个市场中获得了 500 多项设计导入。

设想追踪一个离开服务器或加速器的数据比特，看看它如何穿过整个机架。它经过一块 SmartNIC 或 DPU，由重定时器恢复信号，在光模块中转换为光信号，再穿过一台或多台交换机，最终抵达另一个节点——而在此期间，一颗管理芯片始终监控着整个硬件平台。传输路径上的每一个环节，都有专用处理器负责相应的工作。

机架硅芯片的新物理法则

随着 AI 机架规模不断扩大，四大驱动因素正推动基础设施芯片重新设计：

• 从 800G 迈向 1.6T 及更高速率： 光学器件正日益成为 AI 机架的核心组成部分，而不再仅用于横向扩展网络。随着速率迈向 1.6T，铜缆的传输距离与信号完整性将成为限制因素，因此需要采用线性可插拔光学器件 (LPO) 和共封装光学器件 (CPO)，推动光学器件向交换机侧靠近。
• 每一瓦功耗都至关重要： 配备 DSP¹ 的 800G 可插拔光模块功耗约为 13–18 W，而采用线性驱动的模块功耗约为 8–9 W。² 当端口数量达到数万个时，每一毫瓦的功耗都不容忽视。因此，嵌入式控制器必须做到小巧、高效，并在核心中集成定制化的传感与控制环路。
• 交换机正承担越来越多的计算任务： Ultra Accelerator Link (UALink) 2.0 规范新增了网内计算能力，可执行集合运算（如跨加速器的归约运算），并引入了基于 gNMI、YANG、SAI 和 Redfish 的可管理性模型。³ 如今，交换机芯片需要配备实时遥测核心、能够运行 Linux 的管理主机，以及用于调度计算引擎的控制单元。
• 安全功能正转向标准化模块： 开放计算项目 (OCP) 的数据中心安全控制模块 (DC-SCM) 规范将管理与安全功能集成到标准化模块中，⁴ 而业界领先的开放式信任根解决方案均采用 RISC-V 架构：Caliptra 内嵌一个开源 RISC-V 核心，⁵ OpenTitan 则已实现量产出货。⁶

定制化为何更具优势

封闭式指令集架构最初为通用处理而设计。可配置的开放式指令集架构能够应对这类架构在机架级芯片设计中面临的种种取舍，并为超大规模云厂商及其他系统开发者提供其日益需要的、独立于厂商的技术基础。

• 在关键环节引入定制指令： 封闭式指令集架构通常将定制扩展限制在少数核心上。RISC-V 则采用可扩展设计，允许设计人员添加用于光子学、SerDes 自适应、遥测或密码学原语的指令，并通过标准 RISC-V 工具链流程让固件能够使用这些指令。
• 按需配置芯片： 通用核心往往包含基础设施工作负载并不需要的固定功能，徒增面积与功耗。采用可配置核心后，设计人员可以根据具体任务需求，灵活配置缓存容量、向量长度和核心数量。
• 整个芯片采用统一的指令集架构系列： 传统设计往往混用多种专有微控制器。由于同一指令集架构系列既适用于微型控制核心，也适用于运行 Linux 的多核集群，开发团队可以在整个芯片上共用一套工具链、一套调试方法以及一致的安全原语（如 WorldGuard 隔离机制）。

SiFive 计算产品系列

SiFive 提供三大 IP 产品系列，并支持根据具体工作负载特征进行精确配置，打造完整的核心复合体（包括核心、非核心部分及互连组件）。

• 实时控制核心（Essential 系列)： 具备低延迟和确定性响应能力的微控制器，适用于闭环热调优、光学激光器偏置控制环路、重定时器固件以及硬件信任根。
• 向量与加速器控制核心（Intelligence 系列）： 具备向量计算能力的加速器控制单元 (ACU)，通过 SiFive 的 SSCI 和 VCIX 协处理器接口（核心与加速器之间直接、低延迟的连接）接入定制加速器，负责协调网内计算流程及遥测任务卸载。
• 应用与管理核心（Performance 系列）： 可扩展、支持运行 Linux 的乱序执行处理器，适用于网络操作系统代理、交换机管理主机以及 DPU 控制平面。

机架架构映射

• NIC、SuperNIC 和 DPU： Performance 系列核心提供 Linux 控制平面，而 Intelligence 系列核心则作为数据通路事件处理器，负责传输控制与拥塞控制。
• 重定时器： Essential 系列核心运行链路训练与监控固件，并由 Performance 系列核心负责管理。
• 光学器件与 CPO： Essential 系列核心以毫瓦级功耗运行实时的激光器偏置与环形调谐环路。Intelligence 系列核心则可监控 DSP，并执行定制的光子学指令。
• 纵向扩展与横向扩展交换机： Performance 系列核心负责管理平面和芯片上的主机功能，而 Intelligence 系列核心则负责协调网内计算流程及遥测任务卸载。
• BMC 与信任根： 配备 WorldGuard 隔离机制的 Essential 系列核心与基于 RISC-V 的信任根并列部署，从而使整颗安全芯片采用统一的指令集架构。

按应用场景选择核心

从插槽需求出发，而非从芯片出发

下一波云计算与 AI 基础设施创新，将发生在计算节点周边的芯片领域。每一块 NIC、重定时器、光模块、交换机和安全模块，都对应着不同的处理器设计机会，各自对实时控制、管理和加速器控制有着不同的需求。与其先选择一款通用芯片，再反向推导如何满足需求，不如先明确每个基础设施组件所需的功能，再据此选择合适的处理器。

SiFive 提供完整的可配置 RISC-V 核心复合体产品系列，能够满足上述不同的设计需求：Essential 系列适用于确定性控制，Intelligence 系列适用于加速器控制与网内计算，Performance 系列则适用于支持运行 Linux 的管理任务。设计人员可以添加针对特定工作负载的指令，按需配置缓存和向量资源，并在整颗芯片上采用统一的指令集架构、工具链和安全模型。最终打造的芯片能够针对工作负载特点以及功耗和延迟要求进行优化。

请说明您的 NIC、重定时器、光模块、交换机或安全模块设计需求，我们将协助您匹配合适的 SiFive IP。

与 SiFive 沟通您的设计需求 →

1. FS Community：《光收发器技术的发展：从 400G 到 800G，再到 1.6T》https://community.fs.com/article/advancing-optical-transceiver-technology-from-400g-to-800g-to-16t.html
2. FS：《800G LPO 光模块新闻稿》，Business Wire，2025 年 8 月。https://www.businesswire.com/news/home/20250823684674/en
3. UALink Consortium：《定义网内计算、芯粒、可管理性和 200G 性能的四项规范》，2026 年 4 月。https://www.businesswire.com/news/home/20260407620696/en/
4. 开放计算项目：《数据中心安全控制模块 (DC-SCM) 2.0 规范》。https://146a55aca6f00848c565-a7635525d40ac1c70300198708936b4e.ssl.cf1.rackcdn.com/images/437b280a3847b001b1609bd429908bf162a2b6df.pdf
5. CHIPS Alliance：《CHIPS Alliance 欢迎 Caliptra 开源信任根项目》，2022 年 12 月。https://chipsalliance.org/news/chips-alliance-welcomes-the-caliptra-open-source-root-of-trust-project/
6. lowRISC：《OpenTitan 信任根》https://lowrisc.org/opentitan/