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突围中的RISC-V......

发布时间:2022-03-17作者来源:萨科微浏览:316

近日,对半导体产业而言,最热门的消息莫过于第一届RISC-V中国峰会(RISC-V World Conference China)将于2021年6月21日至27日在上海科技大学举办。预计现场参会人数超过1,000人次、线上参与人数超过10,000人次、参展厂家预计超过100家,届时会成为国内迄今为止规模最大的以RISC-V为主题的峰会!有关RISC-V,我们需要了解:

   RISC-V是什么    
       
 

RISC-V是一个基于“精简指令集(RISC)”原则的开源指令集架构,它并不是一种处理器或芯片,而是指令集规范。

指令集是软件和硬件之间的接口,是一套标准规范,其以文档的形式发布,并不具备实体。我们可以根据这套规范去设计处理器芯片和对应的软件系统,并最终形成产品。

指令集可分为复杂指令集(CISC: Complex Instruction SetComputing)和精简指令集(RISC: Reduced Instruction SetComputing RISC)。目前市场上主流的芯片架构主要有x86、ARM、RISC-V,其中x86是CISC系的,ARM、RISC-V均是RISC系。

Source:网络

   RISC-V的诞生    
     


2010年,一支来自加州大学伯克利分校的研究团队需要设计一款中央处理器,但在对比了市面上的ARM、MIPS、SPARC和x86指令集架构之后,他们发现这些指令集不仅会涉及到专利问题,而且收费昂贵。若要解决这一问题,必须想出其他方法。最后,他们设计出了一套全新的指令集,即大名鼎鼎的RISC-V。它本意不是想成为一种令人印象深刻的新技术,它只是希望可以使整个行业处于同一页面上,以简化芯片制造推动发展。但是,在迈向全球芯片标准的过程中发生了一件有趣的事情:正如伯克利所做的努力一样,RISC-V已经开始在芯片设计方面产生一些技术突破。

   RISC-V的优势    
     

Source:网络

1.完全开源:这是其得以发展的主要原因,对指令集的使用,RISC-V基金会不会收取授权费,且容许企业添加自由指令集拓展;

2.架构简单:RISC-V秉承简单至上的设计美学,为了保持向后的兼容性,ARM和x86都保留了许多过时的定义,而RISC-V可以说是站在巨人的肩膀上,借助已经成熟的技术优势,轻装上阵;

3.易于移植:RISC-V提供了特权指令和用户指令,可以很方便地将Linux和Unix移植到RISC-V平台;

4.模块化设计:开发者可以根据需要灵活地选择不同组合,实现定制化需求;

5.具有完整的工具链:RISC-V社区提供了完整的工具链,并且RISC-V基金会会持续维护,避免工具链开发的繁重工作。

   RISC-V社区生态的营造    
     

伴随着RISC-V指令集在技术上的成熟,加州大学伯克利分校在2015年成立RISC-V基金会,打造RISC-V生态系统。其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,在工具链搭建、应用化拓展上自然是喜报频传。比如,2019年,特斯拉已考虑在新款芯片中使用免费的RISC-V设计;英伟达也打算把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。

Source: RISC-V基金会

2018年10月,中国RISC-V产业联盟(CRVIC)在上海成立,同年11月,中国开放指令生态联盟(China RISC-V Alliance,简称:CRVA)宣布成立。随后的一年,华米黄山一号、阿里巴巴玄铁910等基于RISC-V开发的处理器相继发布,中国科技公司在对RISC-V的开发中渐渐找到各自的方式。

   RISC-V的前景    
     

RISC-V最大的特点是“开放”,开放性允许它可以自由地被用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售基于RISC-V的芯片或软件,这种开放性,在处理器领域是彻底的第一次。当前时点,物联网IoT的兴起会为指令集架构在内的上游产业链提供新的成长土壤。

从市场空间层面看,2019年,全球物联网总连接数达到120亿,预计到2025年,全球物联网总连接数将达到246亿,年复合增速约为16%,预计全球物联网收入从2019年的3,430亿美元,增长到2025年的1.1万亿美元,复合增速约为27%。(数据来自全球移动通信系统协会)

Source: Scale Partners&光锥智能 行业报告

相比之下,ARM芯片最近三年每年出货量在200亿颗以上,但增长速度放缓,RISC-V芯片在单价上预计会低于ARM及x86芯片,而数量则会远超ARM芯片。

Source: ScalePartners&光锥智能 行业报告

Source: ScalePartners&光锥智能 行业报告

从技术特点层面看,相较于现有架构的通用性要求,物联网更强调灵活性和多样性,这与RISC-V开源、可模块化、可扩展的特性高度契合,RISC-V能够凭借其特性使得物联网行业发挥出灵活、低功耗的特点进而降低成本,这也为物联网的快速兴起创造了有利条件。在IoT场景中,许多智能分析工作正在向边缘转移。根据特定的需求,使用RISC-V架构定制化IoT芯片更灵活,而且有针对性。现在RISC-V架构的设计,除了基础的指令集保证系统软件、开发环境的兼容性之外,它本身允许按照新的不同开发应用进行扩展,这样可以保证IoT应用中的专用性需求。

Source: ScalePartners&光锥智能 行业报告

从产业链上下游的情况来看,我国厂商在芯片IP开发环节、芯片设计环节以及终端品牌和平台环节均已有所布局。上下游主要厂商的布局情况反映了产业链从底层到终端构建RISC-V生态的发展思路,从物联网、AI的兴起和我国芯片设计的自主性需求方面来看,RISC-V具备广阔的发展空间和成为全球主流架构之一的基础。

近日,据彭博社披露,RISC-V初创公司SiFive收到英特尔20亿美元的收购意向提议,但是否最终落实还不得而知。英特尔收购SiFive的动机是应对英伟达收购ARM的被动举措。英伟达-ARM并购案已经进入最后阶段,只要中国政府监管机构开绿灯,ARM最终归入英伟达旗下应该是比较确定了。英尔特自然希望通过收购SiFive而扶持RISC-V与ARM和英伟达对抗。

但小编觉得此次收购不见得会成型,原因在于:首先,SiFive,这家由加州大学伯克利教授及学生研究团队创办的,并基于开源指令集架构RISC-V的微处理器内核IP开发商,最近一次融资是在2020年8月,由SK海力士和沙特阿美领投6,000 万美元,SiFive估值约为5亿美元。截至目前为止,SiFive融资总额达到1.86亿美元。即便业务和人员扩张很快,SiFive也不会为钱发愁,因为他们的主要开支在于研发和云服务平台,不涉及重资本的半导体设备和制造;其次,从资本和运营层面考虑,SiFive也不应该过早地被大公司收购。英特尔资本和高通资本都是SiFive的早期战略投资者(2018年获得5,060万美元C轮融资,大部分来自英特尔;2019年获得6,540万美元D轮融资由高通创投领投),扶持SiFive的背后逻辑应该也是防止ARM一家独大,让这些芯片巨头有多个选择。即便英伟达也是RISC-V的积极推动者,收购ARM后不知道是否还会一如既往地支持RISC-V。虽然有RISC-V基金会和中国众多研究机构和厂商的支持,RISC-V这块开源蛋糕要想做大,仍然需要SiFive做开路先锋。如果SiFive并入英特尔,势必减弱RISC-V的开放和拼搏精神,很多开源社区和生态发展的创新就会受到商业利益的牵制和阻碍。但是,英特尔出高价收购SiFive似乎释放出一个积极的信号,至少说明全球芯片巨头对RISC-V是很看重的。即便最终成为与ARM抗衡的武器之一,RISC-V的价值会凸显和增大。像芯来科技、晶心科技和众多积极推动RISC-V的科研机构组织,应该有更大的信心继续持守开放的精神,为RISC-V生态建设增砖添瓦!

   RISC-V在中国    
          01    产业融合度    
     

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,在中国有超过300家公司在关注或以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。国内大量芯片公司崛起,很多公司都想在RISC-V新赛道上有一番作为,毕竟ARM内核早已是红海,而RISC-V尚处于蓝海。对此,小编也给大家整理了目前国内RISC-V的内核MCU厂商。

02    国际舆论的动向    
     

在贸易战期间,就RISC-V处理器是否涉及美国出口管制条例的讨论引发了不小的争论,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。如果说早几年还有人质疑这个2010年诞生于美国加州大学伯克利分校的RISC-V指令集是否受到美国的技术管制,那么RISC-V基金会的迁址举措应该能更好的打消大家的顾虑。实际上,中国厂商在RISC-V基金会的参与也非常活跃,在该基金会最高级别会员的13家企业当中,有11家来自中国,其中10家为中国大陆公司,1家来自中国台湾。包括华为、平头哥、ICT中国院软件所、中兴通讯、成为资本、赛昉科技、紫光展锐、希姆计算、晶芯科技等等。另外两家分别是西部数据和SiFive。

Source: RISC-V 基金会 Y2019成员 

03    我国芯片发展现状    
     

RISC-V在我国备受青睐,与我国芯片研发受制于人的现状不无关系。目前芯片国产化的难点在于工艺和制造,包括所需要的材料、设备等都被国外企业高度垄断,国内厂商的追赶之路道阻且长。再加上尚未在行业中看到明显的拐点,这一领域仍需要长期且有步骤的投入和积累。

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。

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,加之ARM局势动荡,一直被收购新闻困扰,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。

04    人工智能建设    
     

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。同时,RISC-V的指令集如此小巧精悍,选择RISC-V可以制造出比其他任何产品都小的芯片,还能将功耗降至最低。

因此,未来我们很可能见到更多使用RISC-V的定制硬件,它们可能出现在你的硬盘、显卡或汽车里,甚至在某一天它们成为家用电脑的主架构。中国工程院院士倪光南此前曾预测,未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一,从而形成CPU领域x86、ARM、RISC-V三分天下的格局。

   RISC-V对中国半导体产业的划时代意义    
       从长远看,RISC-V对中国半导体产业的意义主要体现在以下:
  • 通过RISC-V架构摆脱国外的垄断,实现处理器内核的国产自主。这种处理器内核不是闭门造车做出来的,而是拥有全世界认可的主流架构和主流生态。

  • 通过RISC-V可以极大地加强我国处理器IP话语权。IP产业处于行业最上游,远离其它产业,并没有得到产业和国家的重视。RISC-V给了中国IP产业机会,虽然目前我国在RISC-V上仍然落后,但相对于其它IP技术,落后并不太远。

  • RISC-V可以推动创新和差异化。由于RISC-V的开放、简洁、可扩展以及低成本,可以给终端应用市场带来巨大创新。

  • RISC-V可以明显降低芯片研发成本。RISC-V的产业链日趋完善,从处理器内核到硬件设计、操作系统、开发工具、基准测试以及解决方案,全产业链具备完整性,使得行业可以均摊一切成本。

  • RISC-V的逐渐普及在一定程度上促进了行业本土化的发展,创造了更多行业机会,为产业界和学术界积累大量CPU人才。

由于RISC-V有望成为世界主流,所以中国企业必须顺势前行!RISC-V与我国半导体产业如何更好地走向未来,这对中国产业发展的意义十分重大,因此,我们必须认真思考以下问题:

01    RISC-V生态尚不完整    
       目前RISC-V主要应用在相对中低端的产品上,而在高性能服务器CPU、GPU上,没有出现应用范围广的案例。产生这种现实状况的原因是基于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很大的设计和研发要求。      02    RISC-V的碎片化问题    
     

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自由度的同时,也会出现像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。简单举例说明,如果A公司用了一个芯片改进,B公司做了另外一边的改进,两边的改进都不拿出来,设想在这个市场上大家的改进都不拿出来,不交流,不形成共识,那有可能将来RISC-V会出现ABC版本,市场上彼此不兼容,这就是一个碎片化的情景。

而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。

03    RISC-V的安全问题    
     

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。

众所皆知,SoC芯片的安全机制是由以下几方面共同为系统安全保驾护航的:

  • 硬件强制隔离程序;
  • 资料和存储,建立可信任执行环境;
  • 唯一证书和秘钥作为信任根;
  • 安全启动以及一系列工具等。

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。

RISC-V基金会已成立了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。

结合我国的特殊国情和世界当前的格局,在如今国产替代的浪潮中,以及“安可”联盟的驱动下,通用处理器和专用处理器的研发得到了极大的推动和重视,各大指令集(ISA)的国产代表厂商已纷纷推出自己的“安可”产品,例如采用x86的兆芯;采用ARM的飞腾、海思……唯独缺少能代表RISC-V指令集的CPU产品。谁要是能以第一款高性能RISC-V处理器入局“安可”联盟,必定会在中国市场上掀起波澜。

04    传统商业模式革新    
     

传统硬件的商业模式一直是销售产品,由于芯片的流片成本居高不下,导致芯片企业面临重大的资本考验。因为芯片作为知识和技术诀窍沉淀与固化的载体,所以代码是其核心竞争力。

由于开放又活跃的指令集生态是推动芯片研发创新的必要条件,RISC-V的开源掀起了开源硬件的发展。目前,RISC-V指令集的商业模式是以IP核授权和定制化芯片为主。随着应用领域的日趋细化,垂直领域的芯片定制化被认为是未来的趋势。在指令定制上,RISC-V是引领者。但其实,定制芯片对RISC-V来说,它既是优势也是挑战。

定制芯片的关键点在于参数的适配性及RISC-V IP、第三方IP和EDA工具之间的互相配合,对应用的理解越深刻,定制也就越到位。

指令定制在RISC-V是原生的,用户只需要在RISC-V基础核上进行参数的设置,再选择适合的模块即可,而ARM则需要额外添加补丁来实现。指令定制需要算法、代码库、编译器等配套工具的支持,同时,芯片开发除了指令集架构之外,还需要同时关注芯片的接口外设、安全性、可靠性、成本等一系列问题,这对定制化来说也是客观存在的挑战。

05    将AloT作为RISC-V的切入点    
     

事实上,RISC-V架构可以应用到所有运算设备中,5G通信设备、服务器、超算等应用都可以采用,而且在技术和生态方面也不存在问题。尤其是在当前的智能移动时代,AIoT是RISC-V一个很好的切入点,未来市场将会非常庞大,基于RISC-V的微处理器内核加上AI运算协处理器IP,会在AIoT各个细分领域觅得良机。


   

Source:网络

分析机构Semico Research在名为《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。


 

Source: Semico ResearchCorp

RISC-V在中国市场走红也证明了,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!但,尽管有经济、科技、国家推动带来的诸多信心,当下我们依然要意识到RISC-V的生态是一个长期构建的过程,需要Foundry(在集成电路领域是指专门负责生产、制造芯片的厂家)的培养、系统的支持,以及细分赛道的量产多轮推动,这既是挑战,也可以成为机会!

在这个重要的时间节点,在RISC-V国际基金会的大力支持下,RISC-V中国峰会的举办,为中国产业界和学术界提供交流合作的机会;为全面推动RISC-V在中国及全球的发展;为推广RISC-V产业领域创新技术产品;为推动RISC-V的科研及教学都具有重要的历史意义!天时地利人和,RISC-V在中国找到了发展的沃土和契机!





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