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电脑报 10-17

​芯片国产化的希望?RISC-V 架构让中国芯自主可控

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" 中国的整个哲学都是长期的,RISC-V 将为他们提供长期的芯片自由 "。——前不久,美国网友呼吁阻止 RISC-V 成为中国架构引发关注。近年来,曾被认为是业余的 RISC-V 架构正在成为芯片领域的后起之秀,而它也有望成为国产芯片自主可控的契机!

那什么是 RISC-V 精简指令集呢?RISC-V 是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA),与大多数指令集相比,RISC-V 指令集可以自由地用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售 RISC-V 芯片和软件。

01

芯片国产化的重要赛道

当下的芯片市场,存在 X86、MIPS、ARM、RISC-V 四种主流指令集,也就是我们常说的芯片架构。所谓的芯片架构是 CPU 控制计算指令的一种规范,其中包含各种复杂的算法。简单点说,芯片架构的先进与否直接关系到 CPU 的性能。

一款 CPU 支持的指令集可以有很多种,早在 RISC-V 出现之前,也存在多种指令集构架(ISA),无论是如今独霸一方的 x86、ARM,还是 DEC、IBM 360、MIPS、SPARC 等等。RISC-V 作为 " 插班生 ",是如何弯道超车的?得益于其彻底开放的特性。

2010 年,伯克利的研究团队在为新项目选择指令集的时候,发现当前的许多指令集都存在知识产权限制,X86 被英特尔封闭使用、ARM 则收取高昂的授权费用,所以决定从零开始设计一套全新的指令集。

4 名成员仅用了 3 个月就完成了 RISC-V 的开发工作,并且决定以 BSD(Berkeley Software Distribution)开源协议将其开放。这是一个自由度非常大的协议,使用者几乎不受任何限制,谁都可以基于 RISC-V 来设计自己的处理器,并且不需要支付授权费用。这让 RISC-V 显得格外 " 骨骼清奇 "。

图片来源:riscv.org

RISC-V(读作 "RISC-FIVE")是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA ) ,V 表示为第五代 RISC(精简指令集计算机),表示此前已经四代 RISC 处理器原型芯片。每一代 RISC 处理器都是在同一人带领下完成,那就是加州大学伯克利分校的 David A. Patterson 教授。

与大多数 ISA 相反,RISC-V ISA 可以免费地用于所有希望的设备中,允许任何人设计、制造和销售 RISC-V 芯片和软件。图 1 展示了此前的四代 RISC 处理器原型芯片。它虽然不是第一个开源的指令集(ISA ) ,但它很重要,因为它第一个被设计成可以根据具体场景可以选择适合的指令集架构。基于 RISC-V 指令集架构可以设计服务器 CPU,家用电器 CPU,工控 CPU 和用在比指头小的传感器中的 CPU。

开放性和可预期的未来让 RISC-V 在很短的时间里便构建了属于自己的庞大生态体系,伴随着 RISC-V 指令集在技术上面的成熟,加州大学伯克利分校在 2015 年成立非盈利组织 RISC-V 基金会,打造 RISC-V 生态系统。果不其然,会员数的年增长率超过 100%。谷歌、高通、IBM、英伟达、NXP、西部数据、Microsemi、中科院计算所、麻省理工学院、华盛顿大学、英国宇航系统公司、华为、特斯拉、三星、日立、希捷、阿里巴巴、联发科……一个个知名企业与研究机构加入其中,也让 RISC-V 从众多指令集构架中脱颖而出,成为市场关注的焦点。

02

快速崛起的 RISC-V

长期以来围绕芯片架构、安全性和性能改进的 IP 设计一直是半导体供应链的关键。英特尔凭借其 X86 指令集一直主导着计算市场的 CPU 系统架构,而 Arm 凭借其芯片架构改变了智能手机市场。

市场研究机构 Counterpoint 的分析师 William Li 表示,随着个人电脑和智能手机市场接近饱和," 全球半导体 IP 市场正接近拐点。" 新的应用市场逐渐成长起来,如 AI 智能设备、5G 通信、高性能计算、自动驾驶汽车等将推动 IC 设计和 IP 许可行业的产品都实现了价值增长。

据 Counterpoint 最新的报告,到 2025 年,全球半导体 IP 市场规模将以年均 11%的复合增长率增长至 86 亿美元。该市场目前由 Arm、Synopsys、Cadence 和 CEVA 等公司主导。Arm 拥有超过三分之一的市场份额,这得益于其在移动设备领域的极高市场份额。

与此同时,RISC-V 的崛起不容忽视。由于 RISC-V 的开源优势、更好的功耗性能、可靠的安全功能等,其成为业界新星。

图片来源:Counterpoint 半导体 IP 报告

William Li 认为:"RISC-V 处理器将继续在多个类别中获得采用。但我们相信,短期内,物联网仍然是最关键的应用领域。到 2025 年,其采用率可能超过 25%,主要是由于其卓越的灵活性、可扩展性和功耗优化。其他 RISC-V 可能被采用的领域包括:工业电子、汽车和 HPC(高性能计算)。"

全球经济不确定性和国际局势复杂化影响下,RISC-V 等技术正在变得越来越重要。超过 70% 的 RISC-V 主要成员来自中国,这些成员的努力将加强中国的 IP 库和 IC 设计能力,重塑供应链,并扩张 RISC-V 的影响力。

03

全面爆发的 RISC-V 产品

提到英特尔 X86,人们往往第一反应是 CPU,而 ARM 会让人不禁联想到手机芯片,那 RISC-V 究竟会以怎样的姿态进入普通人的生活呢?

事实上,RISC-V 这几年风潮正盛,而 RISC-V 内核应用最广的则是 MCU。尤其是国内的 MCU 厂商对 RISC-V 的追捧程度可见一斑,基本上知名的 MCU 厂商都有 RISC-V 的方案。凭借指令集少、开源等的优点,RISC-V 也给了国产 MCU 赶超国际大厂的机会。但是现在,我们看到,RISC-V 的触角正在不断蔓延,从最开始的 MCU 逐渐来到加速器、CPU、AI 处理器甚至是 GPU。

图片来源:中颖电子产品介绍

Tips:微控制单元(Microcontroller Unit;MCU ) ,又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机,是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减,并将内存(memory ) 、计数器(Timer ) 、USB、A/D 转换、UART、PLC、DMA 等周边接口,甚至 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC 外围、遥控器,至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等,都可见到 MCU 的身影。

除 MCU 外,CPU 领域同样也是 RISC-V 大展身手的地方,而在 RISC-V 架构的 CPU 领域,我国一直走在前列。2019 年,阿里巴巴推出了玄铁 910,根据阿里巴巴集团副总裁戚肖宁博士公布的资料显示,玄铁 910 基于当下非常热门的 RISC-V 开源架构开发,是一款高性能 CPU,可以以 IP Core 的形式集成到 SoC 处理器当中。

图片来源:玄铁 910 官方资料

2020 年,中科院计算所去年发布了基于 RISC-V 的香山内核。该内核的第一版微架构雁栖湖在去年 6 月就建立了代码仓库,并于今年四月完成了 RTL 工作。雁栖湖采用台积电 28nm 架构,是一个 11 级流水线的架构,频率可达 1.3GHz,SPEC CPU2006 可达 7 分 /GHz 左右。第二版南湖架构的设计讨论工作也在今年开始,预计 2021 年底可以完成。

该架构采用中芯国际的 14nm 工艺,频率预计可以达到 2GHz,SPEC CPU2006 可达 10 分 /GHz。值得一提的是,基于 RISC-V 的笔记本有望明年问世。中科院软件研究所计划在 2022 年底之前打造 2000 台 RV64GC 笔记本。

今年 1 月,赛昉科技推出全球首款 RISC-V AI 单板计算机,阿里平头哥成功将安卓 10 系统在其玄铁 910 RISC-V 处理器上顺畅运行;

全球第一家用 RISC-V 指令集设计 DSP 的公司中科昊芯也在中国,并在今年 3 月底实现量产……

" 不积跬步无以至千里,不积小流无以成江海 " ——未来,相信国内会有更多企业在 RISC-V 领域取得成绩,进而推动国内 RISC-V 领域水平,并逐步构建我们的优势壁垒。

04

国产芯片自主可控的契机

信息安全是近几年来一直在强调的话题。RISC-V 给中国处理器 IP 带来 " 自主可控 " 的发展契机。我国从政府政策到学术研究到产业落地多方面协同推动 RISC-V 架构在中国加速发展。

RISC-V 并非首个尝试开源的 ISA,但却是首个产生如此影响力的开源指令集架构。

伴随着 RISC-V 生态的发展,给国内 RISC-V 新生派企业更多信心。由于 RISC-V 基金会注册地从美国迁往中立国家瑞士,为规避潜在贸易限制风险打下了一定基础。当下常用开源许可证,如 BSD、MIT、GPL 等都是围绕代码的版权说明、修改后是否可以闭源等问题展开的。换言之,当下常用的开源许可证保护的是知识产权。

中科院计算所、华为公司、阿里巴巴集团等在内的 20 多个国内企事业单位,都加入了 RISC-V 基金会。伯克利、清华两所高校还在深圳成立了 RIOS 实验室,以扶持 RISC-V 软件生态。2018 年 7 月,上海经信委出台了国内首个支持 RISC-V 的政策。

SiFive 首席执行官 Naveed Sherwani 在接受《EE Times》访问时表示,中国目前已有大约 300 家公司都在关注或以 RISC-V 进行开发。而发展至今,已经有不少企业基于 RISC-V 构建了开源芯片关键技术,推出了相关产品,比如平头哥半导体推出的基于 RISC-V 构架的玄铁 910 处理器 IP 核心。

05

争相上车的互联网科技巨头

虽然我国科技企业在 RISC-V 领域具备了一定优势,但这并不意味着我国在 RISC-V 领域就拥有绝对的领先优势,面对 RISC-V 这样一个在物联网时代拥有绝对优势的架构,全球各大互联网科技企业也在积极布局 RISC-V 领域。

作为全球的最大的 CPU 领主英特尔,其早早地就抛出并购 RISC-V 初创公司 SiFive 的意向,而且英特尔宣布将打造自己的 RISC-V 开发平台,代号为 Horse Creek。该芯片有望在 2022 年推出,采用 7nm 工艺。新平台将采用 SiFive P550,这是一种新发布的 CPU 内核,代表了迄今为止发布的最高性能 RISC-V CPU。

同时,一则苹果招聘广告显示,苹果开始对 RISC-V 感兴趣。该公司正在探索使用 RISC-V 芯片。职位要求 " 成功的候选人将从矢量编程的角度对 RISC-V ISA 架构有很好的理解和知识,以及 ARM CPU 内核中的 NEON 微架构的工作知识。"

图片来源:苹果招聘

而据 SemiAnalysis 的爆料,一家名为 Rivos 的初创公司,正在利用 RISC-V 研制 CPU。这家公司的团队成员来自苹果、谷歌、高通、英特尔、Marvel 等。SemiAnalysis 相信这将是第一个真正高性能的 RISC-V 设计。

除各科技企业积极布局 RISC-V 生态外,欧洲甚至成立了两个关于 RISC-V 的项目,分别是前文所指的 EPI 和 eProcessor 项目。不同于 EPI 项目,eProcessor 项目旨在构建一个新的开源 OoO 处理器,并提供第一个基于这个新 RISC-V CPU 的完全开源的欧洲全栈生态系统。eProcessor 计划用于数据服务器、高级驾驶辅助系统 ( ADAS ) 的人工智能 ( AI ) 和中央汽车 CPU 以及用于手机和物联网中的嵌入式应用的 CPU。

显然,在这场争霸 "RISC-V" 生态话语权的竞赛中,没有人愿意退却,芯片国产化的路亦不会平坦。

06

不止是 RISC-V

2020 年是我国开源领域大爆发的一年," 开源 " 首次被明确列入国民经济和社会发展五年规划纲要。随着 " 十四五 " 的开启,我国开源也将开启新纪元。" 开源 " 首次被明确列入国民经济和社会发展五年规划纲要。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》在加强关键数字技术创新应用一节中提出:

" 聚焦高端芯片、操作系统、人工智能关键算法、传感器等关键领域,加快推进基础理论、基础算法、装备材料等研发突破与迭代应用。加强通用处理器、云计算系统和软件核心技术一体化研发。加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA 存储等前沿技术,加强信息科学与生命科学、材料等基础学科的交叉创新,支持数字技术开源社区等创新联合体发展,完善开源知识产权和法律体系,鼓励企业开放软件源代码、硬件设计和应用服务。"

值得注意的是,RISC-V 生态建设其实也是中国半导体上下游产业链生态建设的好机会。

以芯片设计工具 EDA 为例,一直以来全球 EDA 市场几乎被美国 EDA 三巨头(Synopsys、Cadence、Mentor)分食,在制程先进的芯片设计领域,基本都逃不开使用 EDA 三巨头的设计工具。

而在 RISC-V 目前所面向的物联网场景,对芯片制程要求还不太高,未必需要用到 5nm、7nm 等尖端工艺,28nm、40nm 足以满足需求,这正好为近几年国内新成立的一批国内 EDA 公司带来市场机会。基于 RISC-V 的开源特性,对应的 EDA 工具也有可能走向开源,国内 EDA 厂商如果要找到一条自己的发展路径,开源是一个机会。

07

写在最后:万物互联的机会

x86 适合处理大量数据,在传统 PC 与服务器领域处于霸主地位;手机需要快速处理数据,ARM 架构在手机处理器 IP 领域一统江湖。随着物联网时代的来临,RISC-V 作为新兴架构,以其精简的体量,在未来的 IoT 领域中有一定的优势。RISC-V 抢夺的是新兴定制芯片市场的机会,难以撼动成熟市场现有格局,例如手机处理器市场。RISC-V 是当前 " 游戏 " 局限性的补充者,而不是新加入的竞争者,例如它为需求创新或定制的物联网提供了一个替代机会。而 RISC-V 架构凭借开源和开放等优点,且高速适应物联网碎片化市场,有望成为中国 AIoT 领域自主可控处理器架构的最佳选择之一。

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番外篇:RISC-V 开源但不一定免费

微架构或者叫微结构设计,指的是集成电路层面的架构。简单来说就是在确定了指令集之后,相关的 CPU 核心之后根据微架构完善为 CPU 的设计,经过流片、封装等步骤,最后推出的就是具体的 CPU 产品了。

图片来源:互联网信息整理

RISC-V 是开源的,其指令集是免费的。但基于免费的指令集进一步开发的微架构是可以收费的。

●绿色格子代表免费

●黄色格子代表需要授权,可以在收费的情况下给你用。

●红色格子代表封闭模式,给钱基本也不给你用,只能购买其最终的芯片产品或者搭载相应芯片的设备。

(编辑:张毅)

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