深度:RISC-V指令集架构如何全球落地?

发表于 2021-01-27 11:39:43


以下文章转载自:智能计算芯世界



指令集架构发展背景,外部环境:(1)贸易战背景下,自主可控势在必行;(2)政策驱动,集成电路产业迎来发展机遇;(3)新一代信息技术加速渗透,新兴领域对芯片提出了更高的需求。内部因素:(4)从产业内部角度来看,主流指令集架构复杂,硬件实现难度大,授权费用高企,芯片企业成本居高不下。


RISC-V指令集架构技术特性:在于简洁、模块化、可扩展及开源,通过有限指令集的组合和扩展,构建适合任何领域的微处理器。


RISC-V产业生态逐步完善。国际产业——多个RISC-V开源版本及商用IP诞生;科技巨头和初创公司纷纷布局;行业应用纷纷落地。国内产业——华为、中兴等大企业,及部分中小型企业(如C-SKY)与创客群体加入RISC-V基金会;国内首个开源的RISC-V处理器诞生——蜂鸟E200(面向极低功耗与极小面积的场景而设计)。


RISC-V满足个性化、定制化芯片新需求。基于RISC-V的极简、模块化和可扩展特性,使得低功耗、小面积,同时具有个性化和差异化的定制芯片成为可能,碎片化场景(IOT、AI)应用大有可为。


我国RISC-V产业发展建议:协同构建RISC-V技术应用推广的产业发展环境;协同建立RISC-V测试评估体系;建立健全各项保障体系,上升至国家战略高度。



RISC V内涵分析


RISC-V 是一种全新的、简单且开放免费的指令集架构,于 2010年主由美国加州大学伯克利分校的 Krste Asanovic 教授、 Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 等开发人员发明,并且得到了计算机体系架构领域泰斗 David Patterso n 的大力支持;驱动因素。


  • 主流指令集架构极为复杂和冗繁;

  • 专利和授权费用高企;


其他开源架构问题较多:OpenRISC 是一种开源的处理器核,而非一种指令集架构,并且许可证为GPL ,意味着所有的指令集改动后都必须开源( RISC V 许可证为 BSD License 授权,可开源也可用于商用);SPARC 功耗面积代价过大,对 x86 替代性不强。


目标:

  • 成为一种完全开放的指令集,可以被任何学术机构或商业组织所自由使用。

  • 成为一种真正适合硬件实现且稳定的标准指令集。



为了RISC V 架构的顺利推广, 2015 年成立了 RISC V 基金会。负责维护标准的 RISC V 指令集手册与架构文档,并推动 RISC V 架构的发展 。目前,基金会包括 108 家会员单位,其中白金会员 18 家,普通会员 90 家,并且会员数量在持续高速增长。中国多家大中型企业级科研机构也加入了 RISC V 基金会,如中兴、华为、杭州中天、中科院计算所等 。


RISC-V技术特性


纵向比较(RISC V vs RISC从流水线、指令集整体性能、架构篇幅三个维度进行比较。指令集经典的五级流水线包括:取指、译码、执行、访存和写回。


取指指令取指是指将指令从存储器中读取出来的过程;译码 将从存储器中取出的指令进行翻译的过程;执行 对指令进行真正运算的过程 ;访存 存储器访问指令将数据从存储区中读出,或者写入存储器的过程;写回 将指令执行的结果写回通用寄存器组的过程。


取指阶段:RISC V 通过对指令编码的规整、简化,提高取指速度。同时,在指令编码增加必要的要素、或通过对指令功能的明确定义,减少了取指时的判断时间,从而提高取指速度,降低损失 。


译码、执行阶段:RISC V 拥有规整和简洁的指令编码,提高了译码速度,降低了硬件设计负担。同时,依托可选的压缩指令子集,RISC V 提高了代码密度,执行阶段无需区分指令长度,提高了执行效率。


访存阶段:RISC V 通过对指令的简化和限制,虽然降低了部分性能,但也降低了访存部分硬件实现的难度。



RISC-V 的技术特性在于简洁、模块化、可扩展及开源,通过有限指令集的组合和扩展,构建适合任何领域的微处理器。


多个RISC V开源版本及商用 IP诞生


技术 RISC V 指令集架构极简、开源、模块化的技术特性,众 多商业公司及初创公司加入到 RISC V 架构的开发和设计竞争中,出现了多个 RISC V 开源版本和商用 IP 。主要呈现以下特点:


基于 RISC V 开源或商用的 Core ,与 ARM 架构相比,具有更高的性能,更低的功耗和更小的面积,支持多种配置接口,可扩展性强,安全系数更高。


多数开源处理器仅提供了处理器核的实现,没有提供配套的 SoC 。



科技巨头和初创公司纷纷布局


众多科技巨头和初创公司加入到RISC V 的竞争中,以摆脱 ARM 、X86 架构在移动端和 PC 端的垄断地位。纵观全球RISC V 商业公司,有如下特点:


1、 从地区分布来看,多数公司集中在美国、欧洲和亚洲,其中以美国为主。


2、 从 原处理器架构来看,众多原依托于 ARM 架构的大型科技公司加入到 RISC V 竞争中,主要是由于 ARM 高昂的授权费和版税。另外,Intel 宣布投资 SiFive ,积极布局 RISC V 。


3、 从应用领域来看, RISC V 多数应用集中在新兴领域,如物联网、人工智能。


a)基于 Intel 、 ARM 分别在服务器、 PC 及移动领域的霸主地位,软件生态难以撼动;

b)RISC V 极简、可扩展、模块化的特性,适用于物联网、人工智能领域对芯片低功耗、个性化和定制化的需求。


4、从技术层面来看,行业内已大范围开始使用 基于 RISC V 架构的嵌入式控制内核,逐渐进入设备的顶层芯片,验证了 RISC V 架构的安全性和稳定性。如 NVIDIA 、 Google 、 CEVA 和 Codasip 。


5、产业生态逐步完善:伴随 RISC V 架构的商业化推进,出现了众多提供 RISC V 跟踪解决方案 IP 核的公司(如 UltraSoc ),提供嵌入式分析功能,大幅度减少芯片开发成本,提升盈利能力。


6、 从地区分布来看,依然集中在美国;从商业模式来看,以基于 RISC V架构开发芯片为主,仅 SiFive 一家公司开发 IP 核;应用领域方面,依然集中在物联 网、人工智能领域。




RISC-V行业应用纷纷落地


随着RISC V 生态的逐步 完善,众多行业应用纷纷落地。


  • Ashling Systems 与 Imperas Software 合作为 RISC V 软件开发提供集成工具及解决方案;

  • CEVA 宣布其 RivieraWaves 蓝牙和 Wi Fi IP 平台现可提供可选的集成开源 RISC V MCU

  • GreenWaves Technologies 推出基于 RISC V 的 GAP8 物联网应用处理器;

  • Trinamic 授权 Codasip 的 Bk3 RISC V 处理器用于下一代运动控制应用;

  • Imperas Software 的基于 RISC V 的 RV64GC 高 性能可扩展平台套件,可快速运行 Linux 。


RISC-V满足个性化、定制化芯片新需求


目前主流指令集架构芯片的应用领域及市场地位:


嵌入式领域,ARM 独占鳌头。综合 Gartner 、 IDC 等研究机构的数据, ARM 估计 2017 年大约有 340 亿台设备使用了该公司授权的指令集芯片,芯片总量高达 410 亿枚。全球超过 90% 的智能手机和平板电脑都采用了 ARM 授权的指令集架构。


PC领域, Intel 和 AMD 等公司采 用的 x86 架构占据了绝对主导地位。



基于RISC V 极简、开源、模块化及可扩展的技术特性,对芯片产业产业了众多影响:


1、 基于 RISC V 的极简、模块化和可扩展特性,使得低功耗、小面积,同时具有个性化 和差异化的定制芯片成为可能,碎片化场景( IOT 、AI )应用大有可为 。


2、 开源导致参与主体较多,初期呈现百家争鸣态势。基于 RISC V的芯片会形态众多,良莠不齐现象严重,设计和工艺技术强的厂商受益(手稿:设计涉及 RTL 编码、 layout 、半导体制程、封装等一系列技术,同时测试标准也不一样) 。


3、 可扩展性导致基于 RISC V 的芯片功能丰富度提高 。


4、 开源的 RTL 代码以及无预测性内存访问导致芯片安全系数提高 。


5、 基于原主流架构的芯片生态格局一时难以撼动,新兴领域会有一席之地。尤其在物联网领域,对 ARM 架构 的芯片具有一定的替代作用。


我国芯片产业发展薄弱,主要知识产权受制于人由来已久。面对中美贸易摩擦,我国发展自主可控势在必行,发展自主知识产权,建立我国自有指令集架构标准,构建芯片产业生态,壮大我国半导体、集成电路产业。目前,我国芯片产业主要呈现以下特点:


1、 90%靠进口:据 International Business Strategies Inc. 估计,中国使用的总价值 1900 亿美元的芯片中,近 90% 是来自进口或在华外企生产。


2、 CPU指令集群雄割据:集齐了全球大部分有一定影响力的指令集,包括 ARM、 MIPS 、 PowerPC 、 SPARC 、 RISC V 、 X86 等指令集。代表厂商:龙芯、君正、华为海思、展讯。面临的主要问题:缺乏自主知识产权、缺乏统一的指令集标准。



END



中关村科学城开源芯片源码创新中心(Beijing Open Source Silicon Innovation Center, BOSSIC)由海淀区政府、北京市科委、微芯研究院等单位共同发起,旨在聚焦芯片研发源头创新,布局全球标准,打造高质量国际开源平台,助力芯片人才培养,营造海淀区“硬核”创新氛围,推动国家芯片产业创新发展。

长按识别二维码关注北京开源芯片源码创新中心
联系我们:comms@baec.org.cn
168 0

你的回应
关于作者
	
mikew

mikew 未通过人工认证

懒的都不写签名

问答
粉丝
0
关注
0
  • 早春营|RISC-V处理器嵌入式开发
  • 早春营|RISC-V处理器嵌入式开发
早春营|RISC-V处理器嵌入式开发