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全球首款RISC-V DSP即将量产 | 国产芯片四大件

发表于 2021-03-31 09:53:02
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2020年8月国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》提出,中国芯片自给率要在2025年达到70%。被称为国产芯片“四大件”的CPU、GPU、FPGA、DSP无论对于国产芯片自给率的提升还是解决高端芯片“卡脖子”问题都意义深远。

雷锋网推出的《国产芯片四大件》系列文章,分别解读国产CPU、GPU、FPGA、DSP的现状,透过投资者视角发现国产芯片机遇。

2010年诞生的最“年轻”指令集RISC-V已经吸引了众多巨头支持者,比如国外的谷歌、高通、西部数据,国内的阿里、华为、紫光展锐。近几年,开源的RISC-V指令集芯片在IoT市场已经取得了不错的成绩,给这一市场占有优势的ARM带来不小压力。

Semico Research 预计,2025年全球将有624亿个RISC-V CPU核心。RISC-V指令集不仅可以用于CPU,全球首款基于RISC-V指令集的DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)将在本月底量产,该芯片来自中国初创公司中科昊芯。

对于RISC-V阵营而言,这是生态建设中一个值得关注的进展。对于DSP芯片而言,这是一个大胆的尝试。对于中国的国产芯片四大件而言,这是一个突破的机会。

全球首款RISC-V DSP即将量产 | 国产芯片四大件

全球首款RISC-V DSP面向工业自动化市场

根据已知的公开消息,中科昊芯是全球第一家用RISC-V指令集设计DSP的公司。中科昊芯创始人兼董事长李任伟告诉雷锋网:“我们是国内为数不多的DSP团队,有十多年DSP和通用处理器研发经验,在2016年就开始RISC-V处理器核的研究。2019年1月公司成立,7月份首款RISC-V DSP芯片流片成功。”

“3月底我们就会量产两个系列的DSP,都是面向工业自动化市场。”李任伟透露。

全球首款RISC-V DSP即将量产 | 国产芯片四大件

中科昊芯创始人兼董事长李任伟

中科昊芯之所以敢率先选择RISC-V设计DSP,除了其团队有成功研发多款处理器的经验,还因为RISC-V是解决国产DSP两大挑战的好选择。DSP是一类嵌入式通用可编程微处理器,最大的优势是能够实时高速处理数字信号,且比CPU、GPU、FPGA功耗更低,广泛应用于通信、计算、消费电子和自动控制等领域。

“DSP主要有两种形式,一种是单芯片,另一种是通过IP或模块集成到SoC。”李任伟说:“国产单芯片DSP有一些市占率,在DSP IP领域国产化率几乎为零。”

雷锋网了解到,国产DSP在某些特殊领域的国产化率已经达到80%以上,但这些特殊领域占DSP整体市场的份额不到5%,其它领域国产DSP自给率不足10%。

提升DSP的自给率,有两大制约因素。第一个制约因素是知识产权,任何处理器都需要指令集,指令集的问题本质就是知识产权问题。CPU有x86、ARM、MIPS等指令集,其中ARM凭借授权模式在移动处理器市场称霸。

“巨头们的DSP指令集都各不相同,并且不对外授权,国产DSP想要自己定义一套指令集的难度不大,但仅凭一己之力很难构建一整套工具链和生态。”李任伟指出。

第二个制约因素是应用生态,如何吸引开发者和客户使用国产DSP是一个更大的挑战。

“RISC-V是一个开源指令集,没有知识产权问题。同时,无论是国内还是国外,企业还是高校,都纷纷加入RISC-V基金会,生态发展很快。”李任伟说:“当时我觉得RISC-V有机会把国产DSP面临的两大挑战完美解决,因此我们在2016年就大胆做了选择,开始自主研发基于RISC-V的DSP。”

至于为何首先推出面向工业控制市场的RISC-V DSP,主要有三个原因。

解决RISC-V性能弱挑战,发挥灵活性优势

“之所以选择工业自动化和机器视觉这两个市场,主要是因为我们团队在这两个领域无论是技术储备还是市场推广方面都有更多积累。”李任伟进一步表示,“当然,这两个领域我们也会分步走,先推出面向工业自动化的一系列产品,再推出面向机器视觉的产品。”

还有一个原因,消费电子和自动控制市场规模占到整个DSP市场规模的11%,工业控制市场也是DSP巨头的重要市场,这是一个好的突破口。

面向这两个领域的DSP在性能上会有很大的差异,应用于工业自动化的DSP是数字信号和控制之间的桥梁,更强调实时控制和应用中的变换性能,应用于机器视觉的DSP则需要更强的算力。

高算力对于RISC-V指令集的芯片是个大挑战。李任伟说:“基于RISC-V指令集的DSP与巨头公司的DSP在体系结构上有很大的差异,在相同的主频下,RISC-V指令集的DSP性能与巨头公司DSP性能有较大差距。”

全球首款RISC-V DSP即将量产 | 国产芯片四大件

其本质原因还是传统的高性能DSP的体系结构是针对DSP算法设计的,其一条指令可以实现诸多复杂功能,而用RISC-V指令来做相同的事情则需要调用多条指令。“这对我们而言是非常大的挑战,凭借着我们团队丰富的经验,在最基础RISC-V指令集的基础上,根据算法的特点,抽取定义了很多DSP指令,再加上体系结构方面的大量创新,最终才设计出性能和功耗优异的DSP。”李任伟表示。

解决了RISC-V带来的性能挑战,RISC-V指令集的优势也得以突显。“由于我们只是用了最基础的RISC-V指令集,和自己扩展的指令集,没有向前兼容的问题,再加上RISC-V本身的功耗优势,我们的DSP有功耗优势。”李任伟同时表示:“正如RISC-V在每个领域都可以发挥定制化优势一样,在DSP领域也同样如此。我也认为未来会是领域专用架构的时代。”

芯片更高的性价比并不意味着就会受到开发者和用户的欢迎,应用生态是更大的挑战。“我经常说我们其实是站在巨人的肩膀上,如果没有RISC-V社区的贡献,我们想要做出完整的工具链的难度太大。有了开源的方案,就可以在开源的基础上进行修改和定制,大大降低难度。”

李任伟说:“为了让用户比较方便的切换,我们也做了很多工作,包括开发环境,界面以及接口等,通过编译器和提供足够多的库,用户基本不用改变习惯就能非常容易地切换到我们的DSP,而且成本很低。”

先以用户熟悉的方式切换到国产DSP芯片,再逐渐去提升性能,从中低端市场切入,一步步发挥出优势,实现芯片的高端替代。以中科昊芯为代表的国产DSP芯片公司找到了一条不错的国产替代路线,但突破挑战不小,也需要耐心。

国产替代浪潮下突破三大巨头的统治

“不管哪个领域,不管高端还是中低端,芯片的国产替代最难的都是应用生态。”李任伟认为,“之前国内的用户即使想用国内的芯片,也没有选择。”

如今,国家大力发展国产芯片产业,并提出了明确目标。2020年8月国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》提出,中国芯片自给率要在2025年达到70%。

在资金和政策的支持下,包括CPU、GPU、FPGA、DSP在内的国产芯片迎来了巨大的发展机遇,中科昊芯也是在这样的背景下成立。“对于国产替代更迫切的领域,包括DSP在内的国产芯片的自给率提升会更加容易,比如电力和轨道交通等领域。”李任伟说道。

“除了特定的领域,包括工业自动化等市场,国内用户对国产芯片的态度也更加开放。从去年到今年,我们明显感受到客户接受国产新片的意愿越来越强,包容度也更高了。”

对于许多用户都担心的国产芯片的稳定性问题,李任伟表示中科昊芯的芯片有严格的测试流程,稳定性没有问题。

国产芯片还有一个优势,更能满足国内市场需求。比如越来越受关注的安全性,许多国产芯片都通过硬件的方式增强芯片的安全性。中科昊芯还可以提供定制化的功能,实现更强的安全性。

还有一个不容忽视的机遇,包括TI、ADI、NXP在内的三大DSP芯片巨头都普遍缺芯。DSP芯片并不需要业界最先进的7nm、5nm工艺,国内的芯片代工厂可以代工,并且芯片的封测大部分也在国内进行。

“如果使用国内成熟的节点,芯片的生产受到的影响会小一些。缺芯对于国产包括DSP在内的国产芯片确实是一个机会。”李任伟说。

小结

与CPU、GPU、FPGA共称为芯片四大件的DSP由于其专用性更强,无论是市场规模还是受关注度都更小。即便如此,DSP的国产替代对于实现芯片的自主可控和高端替代仍意义重大。作为国内为数不多的DSP芯片公司之一,中科昊芯选择的RISC-V指令集能够解决知识产权和应用生态两大挑战。

但正如李任伟对雷锋网所说,“从最开始定义产品,我们的目标就很明确,同等档次的产品要比国外巨头的DSP性价比更高。要达成这个目标的难度挺大。”

值得庆幸的是,中科昊芯去年和今年都有融资,获得了资本的认可,客户目前的反馈也非常正面。

保持耐心,抓住机遇,国产芯片的未来值得期待。

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