逐步落地的 RISC-V，究竟对半导体行业产生了怎样的影响？

小飞飞

RISC-V是加州大学伯克利分校主导的开源处理器指令集,基于该指令集用户可以免费开发自己的处理器。

基于开源指令集这样一个新颖的概念,RISC-V被业界认为会给半导体行业带来一阵新风,同时也出现了众多基于RISC-V的初创公司。

最近,RISC-V业界的两件大事,一件是RISC-V生态的领头羊初创公司SiFive又获得了一笔数千万美元的融资,其中高通也参与了战略投资;另一件与中国关系较大,即RISC-V的主要开创者,同时也是计算机架构领域的宗师级人物David Patterson在深圳的清华-伯克利深圳学院开设了RISC-V国际开源实验室(RIOS),加速RISC-V在中国的落地。RISC-V最近势头正热,那么到底将会对半导体业界带来多大影响呢?

RISC-V的愿景

RISC-V选择开源的道路,目标就是让芯片设计更平民化,降低芯片设计的门槛,从而让更多的人和公司能拥有自己的芯片。

大家知道,芯片设计的门槛在于时间和金钱两方面。随着芯片设计规模越来越大,需要越来越大的设计团队以及越来越长的设计流程,这其中的成本可谓是水涨船高,因此如果不能克服成本问题则能自研芯片的公司数量会越来越少,从而对于半导体行业的生态造成不利的影响。SoC的上一次设计方法革命就是以ARM为代表的处理器IP授权业务,因为处理器往往是SoC中最复杂的部分从而也是需要最多研发成本的部分,而ARM通过IP授权的方式大大降低了SoC设计门槛,从而活跃了半导体生态。然而,随着时间的发展,ARM的处理器IP授权模式却又慢慢难以跟上近年来兴起的异构计算的需求,这也是RISC-V兴起的基础。

那么,RISC-V如何迎合了异构计算的需求呢?异构计算出现的背景是半导体制造工艺的摩尔定律遇到瓶颈,先进工艺制造成本快速上升但是在性能上却无法带来很大提升。在这样的背景下, 通用化的芯片通过摩尔定律提升性能的速度变得很慢,而系统厂商也无法再指望使用一款通用芯片平台来满足不同应用场景的需求,而必须针对不同的场景使用专用的定制化芯片,这也就是异构计算的范式。所以,我们看到越来越多的系统集成商,包括谷歌、亚马逊、阿里巴巴这样的互联网巨头都在脱离Intel这样的通用CPU平台,而是进行自研芯片以满足目标场景的需求。可见,在异构计算时代,对于芯片产生了新的需求,同时也有更多公司在进入芯片行业。异构计算时代,芯片行业的新兴力量对于芯片设计的需求基本可以概括为以下几点:

(1)速度要快,系统厂商尤其是互联网公司难以通常芯片公司三到五年的积累期,而是希望使用一些敏捷化设计的方法来加速芯片设计周期;

(2)成本要低,因为定制化芯片的出货量肯定比不过通用芯片,因此设计成本不能过高;

(3)要能量身定制,这一条其实也是异构计算的核心诉求,即以专用化的设计来提升性能以弥补半导体工艺发展的停滞不前。

RISC-V生态完美符合这三点要求:RISC-V的开源特性一方面大大降低了成本,因为可以免费使用指令集;另一方面允许任何用户自由修改,从而能满足量身定制的需求。此外,RISC-V生态与Chisel为代表的敏捷设计方法论同处一支,双方深度绑定,从而使用RISC-V往往也能享受到敏捷设计的速度优势。

反之,ARM的收费商业模式在成本上与RISC-V相比就有很大的劣势;此外,ARM核在可定制化方面也是大大落后于RISC-V:一方面,ARM指令集设计时间较早,在设计之初对于可扩展性的设计不够完美,而且经过多代设计后背上了历史包袱指令集已经非常复杂,因此技术上难以做定制;此外ARM的授权方式也不鼓励定制化,其架构授权模式虽然允许一定的定制化但是收费极其高昂只有华为等少数大型厂商才有实力使用。

可见,RISC-V的初衷就是迎合异构计算时代对于芯片的三个新需求,让芯片设计门槛降低从而让更多人能参与到芯片设计中来,最终完成对于半导体生态的革新。RISC-V领域最鼎鼎有名的初创公司SiFive可谓是非常好地贯彻了RISC-V的精神。

在成本上,SiFive推出了多款性能上能与ARM对标的低价处理器核IP以及芯片;在敏捷化设计和可定制方面,SiFive为客户提供针对场景量身定制的芯片,且在交付速度上远胜传统芯片设计公司。SiFive曾举过一个客户案例,该客户是一家房地产公司,需要为其智能摄像头定制芯片,而SiFive在三个月内就完成芯片设计交付, 从而为该公司节省了许多成本。

在这个案例中,SiFive完全满足了异构计算时代对于芯片的三个需求(低成本,快速设计,定制化),从而大大降低了芯片设计门槛,让房地产公司这样的非高科技公司也可以有自己的定制化芯片。

SiFive的敏捷化设计流程能帮助用户大大节省设计交付时间,从而降低芯片设计门槛

RISC-V主要市场在哪里?

RISC-V大大降低了芯片门槛,让更多人有能力定制处理器芯片,可谓是ARM之后的又一次生态更新。最初,处理器设计是少数人的游戏,就像满汉全席一样,只有Intel这样的少数几家巨头才能做;随着ARM的IP授权生态铺开,把做包含处理器的SoC的工程量降低到了出门吃火锅的水准,更多人出门打个车就能够吃到;而RISC-V则是把处理器的工程难度降低到了叫外卖的水准,一般人动动手指就能送到家里,从而让芯片设计真正能普及到所有人。

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然而,RISC-V在把处理器设计普及到像叫外卖一样的时候,从另一个角度也局限了自己的市场。

还是以吃饭为例,我们去吃火锅的时候可以吃到上百元一份的雪花牛肉,但是如果打开外卖APP却不可能吃到这样较高端的菜。

这并不是因为做外卖的餐厅技术实力不够(事实上,肯德基的供应链管理、厨房设计、食谱设计水准远超一般的火锅店),而是因为高端食物并非外卖服务受众群体的首要需求,因此做外卖的餐厅出于经济的考量不会去做这样的高端食物。

同样地,RISC-V受众的主要需求集中在MCU以及简单的处理器,这也是我们目前看到RISC-V的主要市场,即IoT这样低成本芯片的主处理器,或者是其他中高端SoC中的控制核(这样的SoC的典型搭配是跑OS和高需求应用程序的主处理器仍然使用ARM,而对于性能基本没需求的协同控制器出于成本和定制需求使用RISC-V,即ARM+RISC-V方案)。

RISC-V架构优美,基于RISC-V架构完全有能力去做高性能处理器,但是经济的驱动力却有可能让RISC-V最终难以进入高端市场。因此,如何进入高端市场并站稳脚跟将是对于RISC-V的一个很大挑战。

学术界已经有基于RISC-V架构的511核处理器(Celerity),RISC-V如何进入高端市场的难点主要来自市场而非技术。

对于SiFive这样的RISC-V初创公司来说,目前巨大的IoT市场已经足够创造收入,但是SiFive的野心绝不仅仅在于销售芯片或IP,而是希望构建新的生态并成为主导者。

这有一点像谷歌的安卓系统,虽然安卓本身几乎不收费,但是其生态的价值是巨大的,谷歌也因此获得了巨大的回报。

只是这样的生态型战略需要足够现金的支持,这一点对于谷歌这样的大公司来说不成问题,但是对于SiFive这样的初创公司来说就存在一定的风险,前期需要靠烧钱来支撑生态建设,而获取生态带来的回报则可能要等到数年之后。

因此我们看到了SiFive在近几年内的大手笔融资,去年四月完成了5000万美元的Series-C融资,而今年六月则完成了6000万美元的Series-D融资,这样短时间内的大笔融资对于半导体初创公司来说并不常见,而对于SiFive这样需要靠大量前期投入的生态型公司来说却实属正常。

在投资者中我们看到了Intel、高通、三星这样的传统半导体公司,也有华米这样的IoT系统厂商,这些公司的战略注资也体现了他们对于半导体新生态的乐观态度。

RISC-V与中国的联姻:价值在于高端核。

处理器芯片对于中国具有重要的战略价值。

从商业角度看,中国半导体业规模已经全球领先,而缺少核心处理器指令集已经成为中国半导体行业进一步向上突破的重要瓶颈。

如前所述,ARM提供的处理器IP核虽然能满足一般的应用需求,但是其技术和商业模式都让基于ARM IP的定制化变得非常困难,一方面不满足异构计算定制化的趋势,另一方面也无法为中国自研定制化处理器带来很大帮助。

RISC-V倡导的开源指令集恰能满足中国对于核心指令集的需求,有希望能帮助中国厂商快速设计出包含自主知识产权的定制化处理器核。

在异构计算成为风潮,同时国家自主产权也得到很大关注的今天,RISC-V在中国得到极大的重视也是一件非常自然的事。

中国RISC-V领域也已经有一批优秀的初创公司,例如专注于超低功耗的芯来科技,以及结合RISC-V和AI的睿思芯科。

睿思芯科的创始人谭章熹正是RISC-V生态领头人David Patterson教授的学生,而此次David Patterson在深圳设立RIOS也是由谭章熹担任副主任,加速RISC-V生态在中国的产业化落地。

然而,RISC-V也并非能完全解决中国自主知识产权处理器的问题。

RISC-V的核心是指令集,而指令集只是处理器的基础,建立在指令集之上的处理器体系架构设计对于处理器来说也是至关重要,尤其是对于高性能处理器核来说更是如此。

因此,我国的高性能处理器核即使能解决指令集问题,也是任重而道远。

这其实也回到了之前讨论的RISC-V的市场定位问题:目前基于RISC-V指令集由于经济规律主要商业应用集中在中低端市场;RISC-V做高性能处理器这件事在学术界得到了验证,但是在商业市场上还没有得到认可,这同时也成为了RISC-V的一个瓶颈。

如果中国能借助其特殊的市场形态做出基于RISC-V的高性能芯片并在市场上得到真正应用,那么这无论对于中国还是RISC-V来说都是一个重要的突破。

本篇完