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来自ARM的斜视:开源的RISC-V架构短期难以塑造中国“芯”

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    发表于 2020-6-17 17:47:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

    有人预言,RISC-V或将是继Intel和Arm之后的第三大主流处理器体系。欢迎访问全球首家只专注于RISC-V单片机行业应用的中文网站

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    本帖最后由 小飞飞 于 2020-7-24 13:29 编辑

    距离“中兴事件”不足100天,上海市政府颁发了一则鼓励芯片公司使用本土自主知识产权RISC-V内核的文件,引起了业界关注。在中国大陆,上海作为第一个将RISC-V列入政府扶持对象的城市,一方面因为上海市政府认可RISC-V的先进性、开放性及逐渐完善的生态;另一方面,上海是RISC-V在中国首度亮相的城市,是RISC-V打开中国市场的首站,在RISC-V技术与生态方面相较更具优势。


    国外芯片技术交流-来自ARM的斜视:开源的RISC-V架构短期难以塑造中国“芯”risc-v单片机中文社区(1)

    10月21日,在第六届乌镇互联网大会上,阿里巴巴旗下平头哥半导体宣布,开源基于RISC-V指令集的低功耗微控制芯片(MCU)设计平台,将业界对近期本已非常火热的RISC-V指令集的关注推向新高度。


    2020年6月15号,华米发布黄山2号芯片,与上一代黄山1号均为基于RISC-V指令集开发的全新架构芯片,相较于目前市面上大多数厂商采用的ARM架构处理器,黄山2号具有简洁、高效和低功耗的特点,是一款专门为可穿戴设备打造的运算芯片。


    RISC-V被认为是继X86架构和ARM架构之后第三个主流架构,也被当作是“中国芯”崛起的历史机遇。真的有那么简单乐观吗?


    首先来简单介绍下这种架构:


    开源指令集架构RISC-V强势崛起


    指令集可分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC),此前全球几大指令集架构有X86、Arm、MIPS、POWER、SPARC等,其中X86属复杂指令集,Arm、MIPS等属精简指令集。


    在产业发展过程中,随着MIPS、SPARC的日渐式微,指令集架构已形成较为稳定的市场格局:由X86和Arm两大指令集占据大部分市场份额,其中在服务器、PC领域,X86指令集占据主要市场地位;在移动通讯领域,Arm指令集被广泛使用,具有垄断地位。


    不过,这一格局正在受到一个发布不到10年的指令集——RISC-V的冲击。


    2010年,加州大学伯克利校一个研究团队在为新项目选择处理器指令集时分析了Arm、MIPS、SPARC、X86等多个指令集,发现它们不仅设计越来越复杂,还存在知识产权问题。于是伯克利的研究团队从零开始设计一套全新的指令集,这个新的指令集命名为“RISC-V”,表示为第五代RISC。


    相对于X86指令集的完全封闭及Arm指令集高昂的专利授权费用,RISC-V指令集完全开源共享,任何公司、大学、研究机构与个人都可以自由免费使用,并具备精简、模块化、可拓展等优点。对于芯片设计厂商而言,除了不用担心会涉及专利问题外,RISC-V指令集展现出的灵活性亦极具吸引力。


    凭借着免费、开源、灵活等优势,RISC-V指令集推出后受到众多芯片设计厂商的关注,在短短几年间在全球范围内迅速崛起。


    RISC-V指令集属于一个开放的、非盈利性质的基金会,自2015年成立至今,RISC-V基金会已拥有超过327家成员,成员中涵盖了半导体设计制造公司、系统集成商、设备制造商、军工企业、科研机构、高校等各类组织,其中白金会员包括谷歌、微芯科技、美光、英伟达、恩智浦、高通、三星、西部数据等全球知名科技/半导体企业,金、银和审计员队列中亦有台积电、英飞凌、意法半导体、联发科等一众知名半导体企业。


    国外芯片技术交流-来自ARM的斜视:开源的RISC-V架构短期难以塑造中国“芯”risc-v单片机中文社区(2)

    如今,RISC-V已获得多家半导体巨头的支持。早在2017年,存储巨头西部数据宣布将把每年各类存储产品中嵌入的10亿个处理器核换成RISC-V,并于2019年2月发布其基于RISC-V指令集的自研通用架构SweRV;芯片巨头高通亦参与了RISC-V指令集厂商SiFive的融资;晶圆代工龙头台积电已导入RISC-V代工业务,近期传闻三星也将涉足RISC-V芯片代工。


    除了企业、机构等单位外,多个国家亦对RISC-V作出了战略规划与部署,包括如美国国防部高级研究计划局(DARPA)资助了RISC-V基金会,并在安全征集提案中要求使用RISC-V;欧洲委员会2018年启动EPI计划,RISC-V和Arm都将作为此次计划的备选指令集;印度更是将在过去几年全面拥抱RISC-V,RISC-V已成为印度国家指令集。


    国外芯片技术交流-来自ARM的斜视:开源的RISC-V架构短期难以塑造中国“芯”risc-v单片机中文社区(3)

    架构优势

    无病一身轻——架构的篇幅


    在处理器领域,目前主流的架构为x86与ARM架构,经过几十年的发展,现代的x86与ARM架构的架构文档长达几百数千页。打印出来能有半个桌子高,可真是“著作等身”。


    作为商用的架构,为了能够保持架构的向后兼容性,其不得不保留许多过时的定义,久而久之就变得极为冗长。


    而现在才推出的RISC-V架构,则具备了后发优势,由于计算机体系结构经过多年的发展已经成为比较成熟的技术,多年来在不断成熟的过程中暴露的问题都已经被研究透彻,因此新的RISC-V架构能够加以规避,并且没有背负向后兼容的历史包袱,可以说是无病一身轻。


    能屈能伸——模块化的指令集


    RISC-V架构相比其他成熟的商业架构的最大一个不同还在于它是一个模块化的架构。因此,RISC-V架构不仅短小精悍,而且其不同的部分还能以模块化的方式组织在一起,从而试图通过一套统一的架构满足各种不同的应用。


    浓缩的都是精华——指令的数量


    短小精悍的架构以及模块化的哲学,使得RISC-V架构的指令数目非常的简洁。基本的RISC-V指令数目仅有40多条,加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。


    中国扛起RISC-V指令集大旗


    RISC-V已获得众多国家的支持,该阵营目前已相当热闹,玩家越来越多,中国厂商则是RISC-V指令集阵营的中坚力量。


    目前,中国企业阿里巴巴以及小米生态链公司华米科技是RISC-V基金会19个白金会员之一,华为、全志科技、君正、乐鑫、芯来科技等中国企业及机构亦在RISC-V基金会的金、银和审计员队列中。


    除了众多企业、高校和机构成为RISC-V基金会成员后,中国本土亦建立起两大RISC-V联盟。


    2018年9月,中国RISC-V产业联盟(China RISC-V Industry Consortium)正式成立,该联盟由芯原控股、芯来科技、上海赛昉科技(SiFive China)、杭州中天微、北京君正、兆易创新、紫光展锐、晶晨半导体、华大半导体、上海集成电路行业协会等单位共同发起。


    2018年11月,中国开放指令生态(RISC-V)联盟在乌镇世界互联网大会正式成立,成员包括北京大学、清华大学、华为、百度、紫光展锐、腾讯、华米科技、全志科技、苏州国芯等系列高校、互联网巨头及半导体企业。


    此外,近两年来国内相继发布多款基于RISC-V指令集的芯片产品,中国RISC-V产业发展持续升温,其中阿里巴巴为最主要的RISC-V指令集支持者之一。


    2019年7月,阿里巴巴旗下平头哥半导体发布其成立后的第一款芯片产品玄铁910,这是一款基于RISC-V指令集的CPU IP Core。同时,阿里巴巴宣布启动“惠普芯片”计划,未来将全面开放玄铁910 IP Core,全球开发者均可免费下载该处理器的FPGA代码,开展芯片原型设计和架构创新。





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     楼主| 发表于 2020-6-17 17:50:36 | 显示全部楼层
    本帖最后由 小飞飞 于 2020-7-24 13:30 编辑

    10月21日,在第六届乌镇互联网大会上,阿里巴巴宣布开源RISC-V内核MCU芯片设计平台。据介绍,平头哥开源MCU芯片设计平台包含处理器、基础接口IP、操作系统、软件驱动、开发工具等全套模块,搭载基于RISC-V指令集的玄铁902处理器。


    该平台面向AIoT时代的定制化芯片设计需求,目标群体包括芯片设计公司、IP供应商、高校、科研院所等,目前开源的是玄铁902处理器及相关IP,不过平头哥透露,后续还将开放更多IP和玄铁处理器。


    除了阿里巴巴外,华米科技、紫光展锐、兆易创新、芯来科技等芯片厂商亦已发布基于RISC-V指令集的芯片产品。


    2018年9月,华米科技发布全球首款采用RISC-V开源指令集的可穿戴处理器“黄山1号”。2019年6月,华米科技基于“黄山1号”芯片打造的AMAZFIT米动健康手表发布,“黄山1号”正式商用。


    紫光集团旗下紫光展锐也已加入RISC-V指令集大军中。目前,在RISC-V的商用领域,紫光展锐目前已有春藤5842和春藤5882两款基于RISC-V的芯片实现量产,紫光展锐表示未来将继续对RISC-V在5G、AI、工业半导体等领域的运用进行有益探索。


    2019年8月,国内半导体企业兆易创新推出一款基于RISC-V指令集的GD32V系列32位通用MCU产品GD32VF103系列,提供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并持续打造RISC-V开发生态。


    RISC-V基金会银级会员之一芯来科技是国内专注于RISC-V处理器内核IP与解决方案的公司,目前也已发布面向AIoT的超低功耗产品线N200系列。该公司近期宣布完成数千万元Pre-A轮融资。


    两大RISC-V联盟的成立以及多款芯片产品的推出,正在加速推动中国RISC-V产业化发展。虽然现在Arm指令集仍是中国市场最主流的指令集架构,但一方面基于RISC-V指令集免费、精简、模块化、可扩展等优点,一方面受当前充满不确定性的复杂国际环境影响,RISC-V指令集越来越受到中国芯片厂商的重视。


    老牌指令机打响自卫反击战


    这边RISC-V指令集来势汹汹,再加上物联网等市场需求所趋,其他指令集也开始加入开源队伍中来,老牌指令机厂商MIPS首先打响了自卫反击战。


    2018年12月,Wave Computing宣布开放其MIPS指令集架构以便半导体公司、开发者以及大学能快速采用MIPS架构用于下一代的SoC芯片的设计开发。MIPS指令集从1985年第一个版本发布至今发已有30多年历史,2018年6月,美国公司Wave Computing收购了MIPS,开放MIPS指令集是该公司“All in AI”战略的重要组成部分。


    根据MIPS开发计划,其并不是所有版本的MIPS指令集,仅是最新的MIPS Release 6版本,与RISC-V指令集的开源既有所相似、亦有不同,相比之下RISC-V指令集的开源更为彻底。


    继MIPS之后,一直稳坐移动通讯领域龙头的Arm亦对RISC-V指令集的发展势头万分戒备。


    2018年6月,Arm建立RISC-BASICS.COM的网站,以“设计系统芯片之前需要考虑的五件事”为主题,从成本、生态系统、碎片化风险、安全性和设计保证五个方面说明RISC-V在这些方面的弊端。


    虽然这个网站不到一个月就被Arm关闭,但外界从这一举动中看出Arm已受到来自RISC-V指令集的竞争压力。曾有机构调研显示,2017年Arm的IP授权收入下滑6.8%,一方面是因为被软银收购之后导致财务报表改变,另一个重要原因是来自竞争对手的增加,即RISC-V。


    如果设立网站辩论仍停留在“口舌之争”,那近期Arm宣布推出Arm Custom Instructions客制化指令这一举动,更被业界看作是应对RISC-V指令集的竞争威胁。


    Arm Custom Instructions将于2020年上半年开始在Arm Cortex-M33 CPU上实施,并且不会对新的或既有授权厂商收取额外费用,同时让SoC设计人员在没有软件碎片化风险下,得以针对特定嵌入式与IoT应用加入自己的指令。


    据介绍,Arm Custom Instructions通过对CPU进行修改、保留编码空间得以实现,帮助设计人员轻易增加客制化数据路径扩展,同时保有既有软件生态系统的完整性。这个功能加上既有的协处理器接口,可让Cortex-M33 CPU利用针对机器学习(ML)与人工智能(AI)等边缘计算应用场景优化的各类型加速器进行扩展。


    与MIPS开发计划类似,Arm的客制化指令已针对Cortex-M33,该系列主要面向物联网和轻量级AI等应用领域。某不愿具名的业内人士向笔者表示,物联网等领域需求量大,注重低成本、低功耗、高效能比等,对软件生态的依赖性相对较低、市场较为分散,Arm基于其处理器IP商业的成功推广,目前Cortex-M嵌入式领域占据多数市场份额。


    但该人士也指出,其他RISC指令集处理器也有不错的表现,尤其是近期陆续有厂商推出自家RISC-V架构的芯片,未来在IoT应用不断落地的影响下,可以预见会有更多的RISC-V架构的芯片问世,这在一定程度上可能危及到Arm Cortex-M架构未来的地位。


    他认为,Arm推出客制化指令,一方面是针对物联网等新兴市场提供芯片灵活性,另一方面则为了对RISC-V指令集的防守。


    关于RISC-V与Arm之争以及中国指令集市场发展再次成为业界话题焦点


    众所周知,中兴、华为事件爆发后,“自主可控”已成为大陆厂商抵御风险的重要保障。Arm指令集授权方式不同,尽管华为海思等已购买Arm指令集终身授权,但可能仍难以摆脱受到美国出口管制的限制;相较而言,RISC-V的开源明显比Arm更能满足“自主可控”的需求。


    前段时间,ARM说要暂停和华为的合作之时,网上就有一些说法,说中国芯要想真正的崛起,就要摆脱X86、ARM架构的限制,采用开源的RISC-V架构。甚至有激进点的人表示,或许RISC-V架构是中国芯崛起的希望,但真的会是这样么?在我看来,恐怕并不是的。


    ARM、X86架构之所以这么强大,是因为多年以来X86、ARM架构已经建立了完整的生态,除了芯片设计的架构之外,其他的众多的周边产品都是围绕着这两个架构而来的,以合作的方式来完成相关的产品设计,这一点上RISC-V是很欠缺的,需要一家强有力的公司来推动才可行。


    另外也因为RISC-V的开源方式,大家都可以修改,可以根据自己的需求进行增加或减少一些东西,所以其实最终大家使用的RISC-V架构有可能并不是一样的,最终的规范都可能并不一样了,生态要统一也难。


    可见,RISC-V要形成一个完整的、统一的生态是很难的,大家各自为战,所以是无法和ARM、X86架构相抗衡的。所以大家也看到目前大家用RISC-V架构更多的是开发一些并不依赖生态的物联网芯片,也没打算去形成一个统一的生态。


    中国芯,任重道远


    所以说,中国芯崛起的希望估计并不是RISC-V架构。生态确实是目前RISC-V的短板。目前RISC-V社区还处于起步阶段,在这一阶段不太可能拥有完整的生态,因为生态建设需要时间。


    在新兴的领域,RISC-V和ARM都处于同一起跑线上,而RISC-V凭着指令集开源等特性很有可能可以击败ARM,或者至少能够占据可观的市场份额。目前这样的新兴市场主要是物联网市场。物联网市场有长尾化的特性,拥有众多细分市场,同时对于功耗有很高的要求,因此对于可以针对不同应用灵活修改指令集和芯片架构设计的RISC-V有优势,相比之下使用ARM往往只能做一个标准化设计,很难实现差异化。


    目前很火的AI芯片市场,ARM和RISC-V则尚看不出明显的优劣。这是因为高性能AI芯片中无论是使用ARM还是RISC-V的核,主要都是作为控制器来使用,最主要的也是最核心的计算单元往往是电路设计师自行设计而不会使用IP;另一方面AI芯片的利润空间往往较大,因此RISC-V的免费的特点并没有带来特别大的优势。


    总体来说,对于目前的RISC-V市场,还没有到需要彼此激烈竞争的阶段,而是更应该共同把生态做大。

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     楼主| 发表于 2020-6-17 17:51:32 | 显示全部楼层
    本帖最后由 小飞飞 于 2020-7-24 13:31 编辑

    当然,如果有可能的话,最好是做一个自己的架构,一家大公司来强有力的推动,大家在这个架构之下形成统一,形成一个完整的生态,这才有可能和ARM、X86去抗衡,你觉得呢?


    持续关注未来中国智能终端技术发展。

    参考文献:

    半导体科技评论,《关于RISC-V与Arm的对比分析和各自的应用》;

    DRAMeXchange,《RISC-V与Arm之争:开发中国自己的开源架构才是王道》;

    中关村在线,《华为会弃用ARM架构,转投RISC-V阵营吗?》;

    包永刚,《中国最早做RISC-V技术的公司仅用7个月设计了一款性价比远超同级别Arm架构的AI芯片》;

    本篇完*

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