全部 行业新闻 技术前沿 新品发布

RISC-V的中国情缘-控制器/处理器-与非网

tikitaka
发表于 2020-05-11 10:43:30

      说到 x86 和 ARM,大家可能并不陌生。基于 x86 的英特尔与 AMD 几乎制霸 PC 端芯片,ARM 架构也开始在麒麟、骁龙等手机终端芯片上大展拳脚。

       

      与这两位“顶流”相比,另一个备受中国半导体厂商喜爱的架构 RISC-V,大众层面的认知度可能就没那么高了。不过在产业界人士眼中,它可是被寄予厚望的“潜力股”。

      比如中科院院士倪光南先生,就曾在对比 x86、Arm 和 RISC-V 时,认为 RISC-V 很可能发展成世界主流 CPU 之一,从而在 CPU 领域形成 Intel、Arm 和 RISC-V 三分天下的格局。

       

      一款“路人缘”不高的架构,是谁给它与巨头抢食的勇气?一个研发者来自美国的技术生态,又为何与中国情根深种?

       

       

       

       

      说句实话,尽管 RISC-V 流行已经有不少年头了,但要说清楚它到底是什么,可能连产业界人士都是一团雾水。

       

      这不,2020 年了,RISC-V 基金会董事长 Krste Asanovic 还要亲自撰文,以《RISC-V 不是开源处理器》(RISC-V is not an “open-source processor”),来为 RISC-V 正名,真是好惨一架构。

       

      那么,RISC-V 到底是什么呢?我们尝试用简单的方式来问大家梳理一下:

       

      首先,官方已经给出了明确的定义,RISC-V 是一个基于“精简指令集(RISC)”原则的开源指令集架构。

       

      划重点, RISC-V 并不是一种处理器或芯片(Implementation),而是指令集规范(Specification)。

       

      指令集是软件和硬件之间的接口,在 CPU 中指导它如何进行运算。而作为一套标准规范,它如何被使用来设计芯片级软件系统,帮助 CPU 更高效地运行,那就厂商们自凭本事了。

       

      (指令集、微架构设计和产品之间的关系分析)

       

      其次,RISC-V 能够异军突起,与其“为开源而生”的特质是分不开的。

       

      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”。

       

      除此之外,它是按照精简指令的设想被开发的,精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer-RISC)结构可以降低 CPU 的复杂性,允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的 CPU。自然很快就拥有了大量的开源实践和流片案例。

       

       

      而在此基础上,RISC-V 开始收获了自己最重要的筹码——社区生态。

       

      每一种芯片,想要取得商业上的规模化成绩,都离不开生态系统的支撑。比如 x86 的强大,就源自英特尔多年培养的服务器芯片生态系统。而指令集向上承接软件,向下规范硬件,作为“中间商”的它自然更需要两端的生态力量。

       

      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。

       

      汇聚了半导体设计公司、系统集成商、设备制造商、军工企业、科研机构等等产业力量的 RISC-V,工具链、应用化自然是喜报频传。

       

      去年,特斯拉考虑在新款芯片中使用免费的 RISC-V 设计;英伟达也将把 RISC-V 用于 GPU 内部的控制器;三星也披露将在多种芯片上采纳 SiFive 公司的 RISC-V 内核,用于 5G 旗舰手机。

       

      RISC-V 的生态链日渐成长和完善,甚至可以在某些细分市场与 ARM 争锋了。至此,大家或许对其成为“三大 CPU 之一”不会感到奇怪。

       

       

       

      如此重要的开源架构,RISC-V 自然也得到了渴盼半导体产业的政府的重度支持。

       

      比如印度政府资助的处理器相关项目都开始向 RISC-V 靠拢,让 RISC-V 成为了事实上的国家级指令集;巴基斯坦政府也宣布将 RISC-V 列为国家级 preferred architecture。但要说 RISC-V 与哪个国家最为密切,中国真的算数一数二。

       

      一方面体现在产业融合度上。

       

      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。

       

      有数据显示,中国大约 300 家以上的公司都在关注或以 RISC-V 指令集进行开发。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。

       

      另一方面,则体现在国际舆论的动态上。

       

      比如在贸易战期间,RISC-V 处理器是否涉及美国出口管制条例,就引发了不小的争论。尽管美国以外的企业(包括欧洲、中国等)自主研制的 RISC-V 处理器,并不会收到实质性的出口管制约束。但 RISC-V 基金会还是决定将总部搬到瑞士,这种态度显然与其他美国科技企业拉开了差距。

       

      那么,除了秉承开放自由的理念之外,中国这块土地究竟与 RISC-V 产生了化学反应,恐怕也需要从逻辑上去追寻的。

       

       

      目前看来,让 RISC-V 与中国情缘不断的核心原因,主要有三个:

       

      原因之一,是 RISC-V 自身的特殊优势。

       

      开放原始码指令集并不少见,为什么 RISC-V 能够独得青眼,免费、开放这种共性自然还不够。与历代指令集构架相比,RISC-V 有三个特点是比较特别的:首先是简洁,x86 与 ARM 作为商用架构,为了能够保持向后兼容性,不得不保留许多过时的定义。而 RISC-V 作为后起之秀,则没有这些历史包袱,由于不用向后兼容,所以指令集文档也相对更短,从而让开发者更快地上手。

       

      其次,RISC-V 的模块化架构为厂商提供了更高的灵活性,以及定制化生产的前提。RISC-V 是第一个被设计成可以根据具体场景可以选择恰当指令集的架构,不同的部分可以以模块化的方式组织在一起,就像拼盘一样各取所需,从而得以用一套统一的架构满足各种不同的应用需求。这种扩展性可以降低芯片开发的周期和门槛,小公司也能参与其中,直接提升厂商的差异化竞争力。

       

      而像 ARM 架构中的 Application(应用操作系统)、Real-Time(实时)和 Embedded(嵌入式),彼此之间就并不兼容,无法进行定制化设计。

       

       

      原因之二,则是中国厂商的大力拥抱。

       

      RISC-V 在中国的成功,与我国芯片研发受制于人的现状不无关系。基于开源的 RISC-V,做出具有自主知识产权的芯片,培养相应的产业生态,对于中国半导体来说无疑是沙漠中的一股清泉。

       

      尤其是在政治环境不明朗的情况下,全球 90%以上的服务器芯片市场都建立在英特尔的 x86 架构上,而 ARM 已经被日本软银收购,虽然可以买到 IP 授权,但缺少了设计 CPU 的核心能力,授权基础上的产业能否长期稳固,也是一道未解之谜。而 RISC-V 指令集本身不是商品,自然也就更少争议。

       

      除了政策上的风险之外,中国如火如荼的人工智能建设,也进一步驱使国内厂商拥抱 RISC-V。比如智能音箱、智能家居等更需要边缘计算能力支撑的 AI 硬件,对架构的灵活性要求也更高,需要不断根据市场和技术的变化来进行调整。RISC-V 就可以满足不断添加新指令的诉求,而对于 ARM 等架构来说就很难。

       

      二者叠加之下,RISC-V 成为中国厂商眼中的“良人”也就不足为奇了。

       

       

      三是万物互联的热土。

       

      如果说前面是中国拥抱 RISC-V 的理由,那么 RISC-V 也对中国这片土壤有着深层的依赖。

       

      我们知道,x86 指令集基本上统治了 PC 市场,而 ARM 指令集则占领了移动端处理器的大部分市场,在别人的主场 RISC-V 想要撼动市场恐怕难上加难。而 AIoT 领域的出现,则给 RISC-V 带来了前所未有的机遇。

       

      一方面,X86 和 ARM 并没有在这一领域有先发优势,更谈不上一统江湖,这给了 RISC-V 与其争雄的前提。另外,物联网对软硬件生态系统的要求不像手机那么高,本身产业链短、场景垂直,RISC-V 类安卓的碎片化、灵活可配置的特征,也决定了它更适合在这块天地里自由翱翔。

       

      此外,物联网厂商对于成本更加敏感,RISC-V 免除了昂贵的指令集授权费用,可以激活更多不具备自主设计 SoC 能力的企业加入生态建设的行列中来,开发多样化的 RISC-V 设备,以充分的创新来激活整个开发生态圈。

       

      实际上,市面上 RISC-V 构架芯片,如华米科技的 AI 芯片黄山 1 号、中天微电子的 CK902 等,都瞄准的是物联网这个大市场。显然,当生态建设是由一个国家、整个行业来共同推动时,这种势能要远比某个巨头要强大的多。所以说,RISC-V 要高速发展,重视中国也就顺理成章。

       

      如果说 x86 时代 WinTel 拼杀的是 PC 和服务器,ARM+安卓争夺的是智能手机的江山,那么 RISC-V 与中国产业的拥抱将以 AIoT 为粘合剂,长久缠绵。

       

       

       

      如胶似漆背后,如何携手走向未来,对中国相关产业的意义十分重大。

       

      而在此时,我们恐怕需要从“热恋”的情绪中短暂地脱离出来,去思考一些“成家立业”的现实问题。

       

      首先,RISC-V 生态相比 ARM 和 x86 依然不够完整,目前主要应用在相对中低端的产品上,在高性能服务器 CPU、GPU 上,没有出现应用范围广的案例。

       

      这一方面是源自于基于 RISC-V 芯片的相应软件、工具链还有待完善。开放原始码不是拿来就能用的,指令集开源并不意味着 CPU 核心也同时授权,这对芯片公司提出了不小的设计和研发要求。显然,在芯片这块硬骨头面前,RISC-V 只是帮中国行业走了一小段捷径,而前方还有崇山峻岭等待攀爬。

       

      其次,在前瞻技术尚未攻破的前提下,RISC-V 却已经在国内展现出营销造势过度倾向。将“国外一开源,国内就自主”的老传统充分发酵,在芯片“卡脖子”的焦虑下,通过炒作、成立合资公司的形式,标榜自主可控。比如在国内大肆宣扬“RISC-V 是开源的”打擦边球,RISC-V 基金会董事长专门撰文澄清,可能也是对这些混淆概念的操作无法沉默了。

       

      这种消耗大众信任的过度炒作,也会透支 RISC-V 及相关产品的可信度,从而拖了中国芯的后腿。

       

       

      此外,每一种架构的产业能用性,都需要百花齐放的产业链创新来支撑。而 RISC-V 赋予各个厂家设计硬件的自由度的同时,也会出现安卓系统一样,由于设备多样、向下兼容,而出现标准不一、开发生态破碎的问题。

       

      这样很可能产生,实际应用时不同芯片厂商的 RISC-V 架构处理器无法适配同一软件的情况。尽管目前很严重的碎片化问题还没有发生,但 AIoT 网络的特性决定了这一现象几乎是不可避免的。

       

      一个强有力的主导厂商,以垂直生态的方式孵化开发者,以标准化来规范大多数程式码,同时为不干扰核心的应用扩展留出空间,建立相关应用市场等基础平台,或许能够更快驱动产业形成 RISC-V 创新生态。

       

      最后,RISC-V 核心应用场景 IoT 的安全问题也必须开始交付完整的产业解决方案。

       

      SOC 芯片的安全机制,往往是由硬件强制隔离程序、资料和存储,建立可信任执行环境;以及唯一证书和秘钥作为信任根,加上安全启动以及一系列工具等,来共同为系统安全保驾护航。RISC-V 的系统指令、特权指令里没有安全指令,采用软件定义域 MultiZone,以硬件强化的方式来保障稳定运行。

       

      这种情况下,RISC-V 想要借助 AIoT 和 5G 浪潮蓬勃生长,与 ARM 和 x86 竞争,就必须在安全性上更胜一筹,才能得到芯片厂商与普通用户的信任。

       

      最近 RISC-V 基金会成立了 RISC-V 安全常务委员会,围绕基于 RISC-V 指令集的物联网设备、嵌入式系统和机器学习等讨论安全改进方案。中国方面会如何反应,拭目以待。

      (RISC-V CPU 的增长趋势及主要应用市场)

       

      分析机构 Semico Research 在《RISC-V 市场分析:新兴市场》的报告中指出,预计到 2025 年,市场将总共消费 624 亿个 RISC-V CPU 内核。RISC-V CPU 内核从 2018 年至 2025 年之间的平均复合年增长率将高达 146.2%。其中,5G 手机、通讯、工业等细分市场,将为布局 RISC-V 的厂商带来新机。

       

      今天我们能够探讨 RISC-V 在中国市场的走红,也证明了,中国半导体企业已经发展到了一个新的台阶,拥有了向更高产业天花板冲击的自信与潜力。除了 RISC-V 之外,龙芯、MIPS 等开源架构也在产业独立自主的备选名单里。

       

      这一场顶层架构争夺战,到底会延展出怎样繁盛的细节,值得我们持续关注。

152 0

你的回应

关注我们

微信扫码登录 点击刷新二维码