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芯片上游开启变革,开源 RISC-V 处理器究竟是什么?

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    发表于 2020-7-7 08:36:55 | 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 2020-7-7 08:45 编辑

    是现代科技最高精尖的领域之一,其研发资金投入大、商用周期长等特点让不少企业望而却步,近年来由于 IP 的种类和复杂度越来越大以及通用接口的缺乏,导致从 IP 开始到系统集成验证再到软件调试的过程耗时更久、投入也越来越大。这推动了一场从芯片上游开始的变革。

    在这场变革中,开源的 RISC-V 处理器更成为企业追捧的对象。

    诞生于加州大学伯克利分校的 RISC-V 因为其开源、灵活和低成本等优势,从面世开始就受到了开发者的热烈支持和厂商的广泛关注。尤其是进入最近几年,在 AIoT 潮流和各国政府的支持下,RISC-V 更是呈现出一种星火燎原之势。

    与大多数指令集相比,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。

    虽然这不是第一个开源指令集,但它展现的势能和拥戴,已有王霸之气。

    一方面,因为其独特设计适用于更现代的计算设备,如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统。

    另一方面,RISC 设计之初就考虑到了用途中的性能与功率效率。于是该指令集还具有众多支持的软件,这解决了新指令集通常的弱点。

    作为一种开源的处理器架构,全世界的处理器开发者都可以基于 RISC-V 架构做出理想的处理器产品,这种可扩展可定制化的特点对于场景驱动、性能功耗需求各不相同的 AIoT 芯片尤为关键。

    7 月 25 日,阿里巴巴旗下半导体公司平头哥正式发布玄铁 910(XuanTie910),称玄铁 910 目前业界性能最强的一款 RISC-V 处理器。自半导体产业诞生以来,过去数十年经历了多次变革,每次变革都来自应用场景的推动:PC 时代成就了 Intel,移动互联网时代成就了 Arm 和高通,而如今进入 AIoT 时代,平头哥已经率先迈出了一大步 。

    那么,究竟什么是 RISC-V?



    RISC-V,一般被念做:risk five。V,就是罗马数字 5。

    很多人提到 RISC-V,都会说它是开源芯片。其实这种说法是不对的。准确来说,RISC-V 是一个基于“精简指令集(RISC)”原则的开源指令集架构。

    别怕!我可以通俗地解释一下!——

    指令集,对于 CPU 来说,就是介于软件和底层硬件之间的一套程序指令的合集。指令集存储于 CPU 内部,引导 CPU 进行运算,并帮助 CPU 更高效地运行。
                                                                                      国外芯片技术交流-芯片上游开启变革,开源 RISC-V 处理器究竟是什么?risc-v单片机中文社区(1)

    PC 电脑里面的 CPU 芯片(中央处理器)

    我们现在常用的台式机电脑或服务器,使用的主要是英特尔和 AMD 公司的 CPU。这类 CPU 使用的指令集,属于“CISC 复杂指令集”。CISC,就是 Complex Instruction Set Computer(复杂指令集计算机)。



    一款 CPU 支持的指令集,可以有很多种。

    早期计算机的 CPU,都是基于 CISC 架构的。

    当时编译器的技术并不纯熟,程序都会直接以机器码或是组合语言写成,为了减少程序的设计时间,逐渐开发出单一指令,复杂操作的程序代码。设计师只需写下简单的指令,再交给 CPU 去执行。

    但是后来有人发现,整个指令集中,只有约 20%的指令常常会被使用到,大约占了整个程序的 80%;剩余 80%的指令,只占了整个程序的 20%。(典型的二八原则)

    于是,1979 年美国加州大学伯克利分校的 David Patterson 教授提出了 RISC 的想法,主张硬件应该专心加速常用的指令,较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。

    RISC,就是 Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机。

    简单来说,CISC 任务处理能力强, 适合桌面电脑和服务器。但高性能也带来高功耗的问题。

    而 RISC 通过精简 CISC 指令种类,格式,简化寻址方式,达到省电高效的效果,适合手机、平板、数码相机等便携式电子产品或物联网产品。





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    题主优质好文
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     楼主| 发表于 2020-7-7 08:38:06 | 显示全部楼层
    本帖最后由 小飞飞 于 2020-7-7 08:45 编辑

    上个世纪 80 年代,Arm 公司就是基于 RISC 架构开始做自己的芯片,最终一步一步崛起,战胜了英特尔,成为现在的移动芯片之王。如今,包括华为麒麟、高通骁龙在内的大部分手机终端和物联网设备芯片,都是基于 Arm 的架构设计。

    注意,我说的是 Arm 的架构,而不是 Arm 的芯片产品。

    Arm 这家公司的商业模式很特别。它做的是芯片的架构设计,相当于画工程图纸,然后把图纸卖给各大芯片制造公司,例如华为。这些公司基于这个原始图纸,进行修改,最终设计自己想要的芯片,交付芯片工厂(例如台积电)去生产出来。

    当然了,Arm 的图纸并不是免费的。不仅不免费,而且价格非常昂贵。

    根据网上的资料显示,Arm 的授权费从几十万美元到几百上千万美元不等。法国有一家芯片创业公司接受媒体采访时曾说,他们如果使用 Arm 架构,要花掉 1500 万美元的授权费。(这个回答后来遭到 Arm 的否认,不管怎么说,反正不便宜。)

    现如今,随着 5G、物联网、人工智能等技术的蓬勃发展,越来越多的企业开始生产和制造服务于各个垂直行业的终端和模组。

    这也就意味着,越来越多的企业要被迫接受 Arm 或其它芯片巨头的“盘剥”。

    大企业还好说,交就交呗,但对于很多中小型企业甚至初创企业来说,这几乎就是彻底关闭了前进的大门。

    这时候,就有人勇敢地站出来了。

    2010 年,加州大学伯克利分校的一个研究团队正在准备启动一个新项目。在为新项目选择指令集的时候,他们发现,x86 指令集被 Intel 控制得死死的,Arm 指令集的授权费又非常贵,MIPS、SPARC、PowerPC 也存在知识产权问题。

    在这种情况下,研究团队毅然决定,从零开始,设计一套全新的指令集。

    在外人看来,这是一件令人望而却步的工作。但事实上,伯克利的研究团队只召集了一个 4 人小组,用了 3 个月的时间,就完成了 RISC-V 的指令集开发。

    虽然看似非常轻松,但其实是有前提的。RISC-V 之所以是个 V(Five),就是因为它之前已经有过 I、II、III、IV。

    负责带队研制这些 RISC 指令集的,不是别人,正是伯克利分校的 David Patterson 教授。往前翻翻这篇文章你就会发现,他就是 RISC 指令集的真正创始人。当年那篇正式提出精简指令集设计思想的开创性论文——《精简指令集计算机概述》,就是他和另一位名叫 Ditzel 的学者共同发表的。

    国外芯片技术交流-芯片上游开启变革,开源 RISC-V 处理器究竟是什么?risc-v单片机中文社区(2)

    David Patterson 教授,后来获得了图灵奖

    正是因为有相关的技术沉淀,伯克利分校的团队才能在短期内做出了 RISC-V。



    第一代 RISC-I 处理器,早在 1981 年就已经做出来了。

    RISC-V 指令集非常精简和灵活。它的第一个版本只包含了不到 50 条指令,可以用于实现一个具备定点运算和特权模式等基本功能的处理器。如果用户需要的话,也可以根据自己的需求自定义新指令。

    高校毕竟是高校,功利心没有那么重。再加上研究团队本身确实也没钱没人去维护它。所以,在做出 RISC-V 指令集之后,研究团队决定,将它彻底开放,使用 BSD License 开源协议。

    BSD(Berkeley Software Distribution)开源协议是一个自由度非常大的协议,几乎可以说是“为所欲为”。它允许使用者修改和重新发布开源代码,也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。

    这就意味着,任何人都可以基于 RISC-V 指令集进行芯片设计和开发,然后拿去卖钱,而不需要支付授权费用。

    这就很嗨了,大批公司开始加入对 RISC-V 的研究和二次开发之中。

    短短几年的时间里,包括谷歌、华为、IBM、镁光、英伟达、高通、三星、西部数据等商业公司,以及加州大学伯克利分校、麻省理工学院、普林斯顿大学、ETH Zurich、印度理工学院、洛伦兹国家实验室、新加坡南洋理工大学以及中科院计算所等学术机构,都纷纷加入 RISC-V 基金会。

    目前,RISC-V 基金会共有包括 18 家白金会员在内的 235 家会员单位(数据截止 2019 年 7 月 10 日)。这些会员单位中包含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、高校等各式各样的组织,足以说明 RISC-V 的影响力在不断扩大。

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     楼主| 发表于 2020-7-7 08:38:35 | 显示全部楼层
    本帖最后由 小飞飞 于 2020-7-7 08:46 编辑

    正如前文所说,RISC-V 对于我们国家的芯片事业有着非常重要的意义。

    长期以来,我们国家的芯片研发都受制于人。如果国内企业或科研机构能够利用开源的 RISC-V 做出基本自主知识产权的芯片,或者培养出相应的生态环境,将大大有利于中国半导体行业进行弯道超车。

    因此,包括中科院计算所、华为公司、阿里巴巴集团等在内的 20 多个国内企事业单位,选择加入了 RISC-V 基金会。阿里还是其中的白金会员。

    2018 年 7 月,上海经信委出台了国内首个支持 RISC-V 的政策。10 月,中国 RISC-V 产业联盟成立。产品方面,中天微和华米科技先后发布了基于 RISC-V 指令集的处理器。
    国外芯片技术交流-芯片上游开启变革,开源 RISC-V 处理器究竟是什么?risc-v单片机中文社区(3)


    基于 RISC-V 开发的黄山 1 号(华米),全球可穿戴领域第一颗人工智能芯片

    我们的邻居印度,对 RISC-V 的热情更是高涨。在过去数年中,印度政府资助的处理器相关项目都开始向 RISC-V 靠拢。RISC-V 已经成为了印度的国家指令集。

    RISC-V 的快速发展,给 Arm 这样的企业带来了很大的压力。

    Arm 公司去年 6 月份就专门建了一个域名为 riscv-basics.com 的网站,里面的内容主题为“设计系统芯片之前需要考虑的五件事”,从成本、生态系统、碎片化风险、安全性和设计保证上对 RISC-V 进行攻击。

    RISC-V 这边针锋相对,建了一个域名为 arm-basics.com 的网站,以“设计系统芯片之前需要考虑的六件事”为题(在 Arm 列出的五项上,新增了社区支持),对 Arm 进行反击。

    几天后,Arm 的 riscv-basics.com 的网站悄然下线。

    尽管 RISC-V 在这场短暂的“撕逼”中获胜,但 Arm 提出的那五个方面的质疑,也不是完全没有道理。尤其是碎片化问题,作为开源技术,RISC-V 的确很难规避。

    (碎片化:由于 RISC-V 允许用户自己任意添加新的指令,但照此趋势发展下去,可能以后很多芯片厂商开发出的 RISC-V 架构处理器尽管都归属于同一 RISC-V 体系,但在实际应用搭配时却不能够适配同样版本的软件。)

    总而言之,RISC-V 可以被看成是一个充满生命力的年轻搅局者。寄希望于它能够在短时间内和传统巨头抗衡,是不现实的。但是它举起了打破垄断的大旗,为沉闷的行业生态注入了新鲜的活力,值得我们为之叫好,也值得我们学习。

    星星之火可以燎原,或许这个搅局者将来真的能成为领导者,也不一定呢。
    本篇完

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