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RISC-V 真的是中国半导体行业最后一次赶超欧美的希望吗?

2019 年 9 月 23 日

RISC-V 真的是中国半导体行业最后一次赶超欧美的希望吗?

自 2018 年中兴事件以来,中国“芯”变得愈加煎熬,而随着 RISC-V 的“热度”不断升高,越来越多的人把它当作是中国芯片发展的一条出路和新的希望。那么,RISC-V 真的值得被押注吗?还是说,除了它我们别无选择?


从中兴事件到华为被禁,中国“芯”艰难前行。


目前的国际 CPU 市场,由两个指令集架构“独裁者”占据:以英特尔为主的 x86 架构和 ARM 推行的 ARM 架构。尽管也曾有过类似 MIPS、PowerPC 等指令集架构的一时风光,但其规模仍难及两个多年经营的庞然大物。


2010 年,开源指令集架构 RISC-V 首次出现在美国加州大学伯克利分校,其开源架构的形式很快就吸引了包括 IBM、恩智浦、WeaternDigital、NVIDIA、Qualcomm、三星、Google、华为、Tesla 等各大厂商的加盟。


面对 RISC-V 的迅猛发展,同样基于精简指令集(RISC)原则的 ARM 架构受到了不小的影响,面对 RISC-V 巨大的潜力,ARM 公司就曾建立专门网站,从“成本、生态系统、碎片化风险、安全性、设计保证”五个方面攻击 RISC-V 。


时至今日,该网站早已以失败告终,而 RISC-V 在广大业界志愿者的支持下,仍然焕发着蓬勃生机,尤其是在正处于“芯片特殊时期”的中国。


目前,RISC-V 在中国拥有广泛群众基础的主要原因在于:RISC-V 具有更加“自主可控”的特点;IoT 市场与 RISC-V 的匹配。


但,面对具备“得天独厚”优势的 RISC-V,我们还需要思考一个重要的问题:RISC-V 足以承载中国“芯”希望吗?它是否真的值得我们对其未来押注?


初识 RISC-V 架构

RISC-V(发音为“risk-five”)是一个基于精简指令集原则的开源指令集架构(ISA),首次出现于加州大学伯克利分校,后经志愿者和行业工作者的贡献,才得以持续发展。


RISC-V 基于小型、快速、低功耗等现实情况设计,而且其设计者也并没有对特定的微架构进行过度的设计。


相对比英特尔 x86 架构的封闭性(目前仅有 AMD、威盛(VIA)获得授权使用),ARM 架构的高昂授权费用,RISC-V 架构采用的开源方式,以及其使用的 BSDLicense 开源协定是其能够在芯片领域占据一席之地的底气和根本。


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 芯片和软件而不必支付给任何公司专利费。虽然这不是第一个开源指令集,但它具有重要的意义:RISC-V 的设计可以完全适用于现代计算设备(如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统);设计者考虑了不同用途的性能与功率效率;RISC-V 还拥有众多支持软件,这解决了新指令集通常的弱点。


再谈 RISC-V 指令集

RISC-V 的优势,在于其包含了 CPU 发展过程中优秀的创新点,在技术上非常完备。因为“年轻”,它不仅非常精简,而且没有所谓的“历史包袱”。比如,一个技术手册,由于 ARM 和英特尔都需要与自己的上一代产品兼容,可能需要 2000 多页,而 RISC-V 却只需要几百页。


RISC-V 架构具有简单和灵活的特性,非常适合部署到物联网、控制器、数据中心的专用芯片和边缘计算等应用场景。


但对于移动端和 PC 端市场而言,RISC-V 的生态远未成熟到与英特尔、ARM 等“技术大鳄”相匹敌的地步。


因此,RISC-V 仍然需要面临“内忧外患”的局面。


内忧

RISC-V 架构开源规则本身有一定的局限性。


RISC-V 强调完全开源的设计,并且让取用者可任意加上专属指令集,甚至可以自由选择将架构封闭还是维持开源。这样就导致了 RISC-V 架构与过去的 MIPS 架构出现了同样问题:虽然拥有更多的指令集,却无法共用。当各个公司做出具有本身公司特色的芯片时,如果他们选择将自己的专属指令集保密,那么若干年后,很可能出现芯片互不兼容的情况,而这样的碎片化问题往往是不利于产业发展的。


外患

RISC-V 架构生态欠缺。


目前,英特尔推动的 x86 架构市场依旧庞大,几乎从传统 PC 到数据中心规模的服务器都在使用基于 x86 架构的处理器,同时相关软件带动的应用服务也有长达 40 年的优化发展历史。


对于 ARM 架构已产生的庞大市场应用规模,RISC-V 架构更加难以取代,而且 ARM 的 IP 授权模式已经趋于完善,尽管授权费用高昂,但各大厂商依旧乐此不疲。



RISC-V 的中国芯势力

中国开放指令生态(RISC-V)联盟(CRVA)

中国开放指令生态(RISC-V)联盟依托中国科学院,成立于 2018 年 11 月。其旨在召集从事 RISC-V 指令集、架构、芯片、软件、整机应用等产业链各环节企事业单位及相关社会团体,自愿组成一个全国性、综合性、联合性、非营利性的社团组织。


中国 RISC-V 产业联盟(CRVIC)

中国 RISC-V 产业联盟(CRVIC)于 2018 年 10 月正式成立,并得到上海市经信委的大力支持。现已有 50 多家 IC 设计企业、高校和科研机构加盟。上海市政府还出台了专门针对 RISC-V 的扶持政策。


平头哥

平头哥半导体公司是由阿里巴巴全资收购的中天微和阿里达摩院整合而成,主要着重于 32 位高性能和低功耗嵌入式 CPU 的 IC 设计。


合并前的的 2 周,中天微曾宣布基于 RISC-V 的第三代 C-SKY 指令架构,同时发布基于 RISC-V 第三代指令架构处理器 CK902,可灵活配置 TEE 引擎,支持 IoT 安全功能。据悉,CK902 是全球首款支持物联网安全的 RISC-V 处理器。


中天微和达摩院合并后,以平头哥的身份行走江湖。


今年 7 月,平头哥发布的玄铁 910(XuanTie910)更是令人瞩目,甚至掀起了一波大规模“RISC-V”中国热潮。


阿里巴巴称玄铁 910 是业界性能最强的一款 RISC-V 处理器,单位性能 7.1 Coremark/MHz,主频在 12nm 工艺下达到了 2.5GHz。它可以用于设计制造高性能端侧芯片,应用于 5G、人工智能以及自动驾驶等领域。


但玄铁 910 并非一款 C 端常见的完整集成芯片,而是一款针对高性能计算的 IP core,也可以理解为 SoC 里面集成的 CPU,与 ARM 处理器的 IP 形态类似。


8 月,平头哥发布一站式芯片设计平台“无剑”,主要面向 AIoT 领域 ,提供 SoC 架构、基础软件、算法与开发工具于一体的整体解决方案,能够帮助芯片设计企业将设计成本降低 50%,设计周期压缩 50%。


华米科技

华米科技创立于 2013 年,是小米生态链首家在美上市企业。


2018 年 9 月 17 日,华米科技发布了号称全球智能穿戴领域第一颗人工智能芯片——黄山 1 号。这颗芯片基于 RISC-V 开发,是全球首款 RISC-V 开源指令集成的可穿戴处理器,并且集成了 AON(AlwaysOn)模块控制器和神经网络加速模块。


华米的这款可穿戴 AI 芯片由一颗主频可达 240MHz 的处理器和 HeartID、ECG、ECGPro、Arrhythmia 四个 AI 引擎组成,实现在本地端对心率、心电、心律失常等心脏问题进行 24 小时低功耗实时监测分析。


乐鑫

乐鑫成立于 2008 年,致力于前沿低功耗 WiFi+蓝牙双模物联网解决方案的研发。


2018 年 10 月,上海市经信委官网对“2018 年软件和集成电路产业发展专项资金(集成电路和电子信息制造领域)拟支持项目(第二批)”进行了公示,其中就包括乐鑫信息科技(上海)有限公司的“基于 RISC-V 指令集架构的 ESP32-Marlin 物联网芯片”项目。


北京君正

北京君正集成电路股份有限公司成立于 2005 年,目前已发展成为一家嵌入式 CPU 芯片及解决方案提供商。


此前,北京君正在互动平台上表示,公司的 CPU 研发队伍已展开对基于 RISC-V 指令集的 CPU 核的研发。


芯来科技

芯来科技创立于 2018 年,是一家 RISC-V 处理器内核 IP 和解决方案公司,创造了我国第一颗开源 RISC-V 处理器蜂鸟 E203,今年 1 月芯来科技完成了千万级人民币的天使轮融资。


目前,芯来科技是 RISC-V 基金会银级会员,中国 RISC-V 产业联盟副理事长单位,以及中国开放指令集生态(RISC-V)联盟会员单位。


核芯互联

核芯互联成立于 2017 年 6 月,是一家主打芯片敏捷设计的初创公司,致力于通过科技创新,从芯片、算法、人工智能、通信、软件等多维度、多层次为工业赋能,提供一站式工业自动化和物联网解决方案。


2 月,核芯互联自主研发成功微架构的 RISC-VIP 核及 MCU 系列通用芯片,并对数款数字和模拟芯片进行流片。


4 月,核芯互联在青岛芯谷正式发布璇玑 CLE 系列 MCU。璇玑 CLE 系列是核芯互联基于 32 位 RISC-V 内核推出的通用嵌入式 MCU 处理器,具有高性能、低功耗、高稳定性等特点,是存储资源和对外接口丰富的安全芯片,主要适用于白色家电、工业控制、物联网等对稳定性、功耗和计算能力要求较高的应用领域。


飞利信

北京飞利信科技股份有限公司成立于 2002 年,是国内领先的政府信息化全面解决方案提供商,于 2012 年在深交所创业板以智能会议系统第一股上市。


2018 年 9 月 30 日,飞利信以 RISV-V 指令集为核心的自主可控 MCU 芯片研发完成基础测试工作。该 MCU 芯片属于 32 位微控制器,未来将对低功耗广域网通信技术和电池管理系统两个应用场景进行优化。


有数据显示,中国有 300 家以上公司在关注 RISC-V 或以 RISC-V 指令集进行开发,除了以上所列举的企业,采用 RISC-V 架构推出产品的还包括芯原、汇顶等。


兆易创新

北京兆易创新科技股份有限公司,成立于 2005 年 4 月,是一家以中国为总部的全球化芯片设计公司。该公司致力于各类存储器、控制器及周边产品的设计研发。


2019 年 8 月 22 日,兆易创新正式发布了全球首个基于 RISC-V 开源架构内核的 32 位通用 MCU 产品——GD32VF103 系列。为此,兆易创新还提供了从芯片到程序代码库、开发套件、设计方案等完整工具链支持。


RISC-V 杂谈

或许有人会质疑:RISC-V 不也是美国某大学搞出的一套指令系统架构吗?国内又何来完全可控之说?安卓系统不也是这种“先免费再限制”的套路吗?


首先,安卓系统的开源是无可厚非的,但谷歌对华为的限制也并不是禁止华为使用安卓系统,而是禁止其对安卓配套服务软件的使用,例如谷歌套件、谷歌商店、谷歌地图、Gmail、YouTube 等软件。可以想像一下,如果中国禁止苹果使用微信、支付宝、QQ、抖音等软件,苹果会受到什么样的创伤?这也是谷歌禁令之后,华为在国外将要面临的事情。


而 RISC-V 则不会出现如同安卓一样的情况,就设计一款芯片而言,指令集架构的开源,代表着开发者可以根据其进行自由的设计,除了生态方面需要集体构建,其他的并不会有太大的问题。什么?EDA 工具还有限制?朋友,如果连这道“EDA 工具”的坎儿都过不去的话,那中国芯片未来真的是太悲伤了。


历史的发展趋势

  • 处理器诞生之初:以 IBM / Sun 为代表的整机和服务器,开启了人类信息化的大潮;

  • 第一次变革:以 Intel / AMD 为代表的 x86 处理器芯片,极大地推进了 PC 和服务器的普及和繁荣;

  • 第二次变革:以 ARM / MIPS 为代表的商用处理器架构授权+IP 授权,奠定了嵌入式和移动手持设备井喷的基础;


第三次变革到来之际, 以 RISC-V 为代表的开放标准,或许能够进一步打破封闭,推动整个行业的发展繁荣。


目前,参与支持 RISC-V 基金会的公司以及机构包括加州大学伯克利分校、英伟达、恩智浦半导体、甲骨文公司、高通、AMD、Google、IBM、红帽公司、慧与科技、华为、中国科学院,北京清华大学、阿里巴巴集团等,而且支持 RISC-V 的队伍还在持续地扩大,RISC-V 生态也正在趋于完整。


2019 年 6 月,图灵奖得主、RISC-V 基金会创始人之一 David Patterson 在瑞士宣布,将依托清华-伯克利深圳学院(TBSI),在内部建设 RISC-V 国际开源实验室(RISC-V International Open Source Laboratory),又称大卫帕特森 RIOS 图灵实验室。


结语

目前,RISC-V 凭借其先行优势,已经占据了开源指令集架构的主流,业界也常常有人把 RISC-V 称作“中国半导体行业最后一次赶超欧美的希望”,但它真的值得我们全力押注吗?MIPS、PowerPC 等指令集架构也陆续开源了,我们是否能拥有更多的选择?


  • 2010 年,RISC-V 于加州大学伯克利分校诞生并开源,基于精简指令集原则。

  • 2018 年 12 月,Wave Computing开源MIPS指令集架构,基于精简指令集原则。

  • 2019 年 8 月,IBM 开源 PowerPC 指令集架构,基于精简指令集原则。


未来很远,明天很近,让我们一起期待中国“芯”的真正到来吧。


参考链接:


从落地产品看RISC-V中国芯势力:平头哥、华米、乐鑫、君正等


维基百科:RISC-V


2019 年 9 月 23 日 08:003774
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张之栋 前InfoQ编辑

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