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開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

2021-01-19 09:40:16

來源:品玩網

發布者:智家網

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  2020年4月,RISC-V基金會首席執行官卡利斯塔·雷德蒙德(Calista Redmond)向基金會全體會員發出了一封通知郵件。郵件上寫著,“我們現已在瑞士正式成立‘RISC-V國際協會’”。

  成立5年的RISC-V基金會原先總部在美國,因為擔心受到政治因素影響,搬遷到了一貫以中立著稱、有著支持開源傳統的瑞士。

  誕生于2010年的RISC-V是一個指令集架構,負責把軟件程序的運行邏輯,翻譯成CPU能夠理解的“語言”。開源、允許任何人自由使用,是RISC-V最大的特點。相比之下,x86和ARM指令集架構都是閉源的。前者主導了PC和高性能計算市場,但只有Intel和AMD兩家廠商可以使用;后者在移動設備和IoT低功耗市場占據統治地位,但授權費十分高昂。

  近三四年來,中國科技界越來越多人討論和采用RISC-V。隨著政治因素對科技行業影響的深化,以及ARM被NVIDIA收購,中國科技公司越發擔心,掌握在美國實體手里的x86和ARM架構,可能會在將來某一天被斷供。

  相對而言,開源的RISC-V沒有類似擔憂?!皩τ趪鴥绕髽I來說,RISC-V基金會總部正式遷移至瑞士是重大利好?!眹鴥纫患襌ISC-V處理器廠商“賽昉科技”CEO徐滔告訴品玩,“這就意味著,采用開源RISC-V指令集、開源軟件和公開標準進行開發,將沒有后顧之憂,相信這會給中國處理器IP帶來自主發展的契機?!薄 ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

  RISC-V來到中國

  時間回到4年前,中國本土知道RISC-V的人寥寥無幾,直到RISC-V基金會第一次來到中國舉辦研討會。

  2017年5月8日,第六屆RISC-V研討會在上海交通大學微電子大樓報告廳開幕,會議主題是“芯片架構的未來是什么”,超過200人參加。該研討會此前已經舉辦過五屆,但都在美國,2017年首次來到中國。

  “自從2017年RISC-V在上海交大舉行推介會之后,本土對RISC-V才有了基本的認知?!毙焯显诮邮苊襟w采訪時說。

  不過,中國本土也有少數人更早看到了RISC-V的潛力,比如芯來科技創始人胡振波。

  他曾在Marvell(美滿電子科技)、Synopsys(新思科技)、比特大陸等多家廠商從事芯片設計工作,自2016年就開始研究RISC-V,并且在2017年創建了中國第一個開源的、面向超低功耗領域的RISC-V處理器內核IP項目“蜂鳥E203”?! ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

(蜂鳥E203內核系統示意圖)

  內核IP是處理器內部的組成模塊,在指令集基礎上開發而來。因其具備可復用的條件,所以在芯片設計環節,逐漸分離出來。有公司把內核IP做成了一門面向芯片設計者的生意。

  RISC-V指令集架構雖然是開源的,但從指令集開始設計一款芯片,不僅門檻高而且耗時長,因此普遍會采用現成的內核IP,包括開源的和付費的。

  “ARM在中國的影響力太巨大了,中國由于在芯片處理器內核方面,長期缺乏自主的通用處理器內核,幾乎都是購買國外的ARM處理器內核核心,這已經形成了習慣?!?018年被問到RISC-V在國內傳播的最大阻力時,胡振波說。

  “對于RISC-V這樣一種新的架構出現,很長一段時間大家都是持懷疑態度。ARM在中國還成立了合資公司,所以ARM在中國市場尤其顯得強勢,使得RISC-V在中國的傳播,相比別的國家顯得更加緩慢?!?/p>

  一個有影響力的開源內核IP,自然是RISC-V在中國本土普及的利器。在蜂鳥E203之前,開源的RISC-V處理器內核基本是國外的,并且文檔非常匱乏,用戶只能將其當做“黑盒”學習。胡振波認為,中國需要一款本土簡單易上手的、使用VerilogHDL(一種用于數字邏輯電路設計的語言)編寫的開源處理器內核,且需配套相關資料詳細講解,將其“白盒化”。因此,除了開發蜂鳥E203,他還寫了一本專業書籍《手把手教你設計CPU:RISC-V處理器篇》。

  不少愛好者、初學者和高校機構,都是從蜂鳥E203和這本書開始,逐漸學習和使用RISC-V指令集。截至2019年3月,該項目在Github上被Star了627次,Fork了258次。在基金會列舉的開源內核項目中,被Fork數量排名第二,被Watch數量排名第三,被Star數量排名第四。

  RISC-V在中國提速

  2018年之后,RISC-V在中國本土的接受度和采用度逐漸提高?!昂芏嗳嗽谇皫啄陮ISC-V沒有足夠的認知,確實很多客戶持觀望態度。但是在外部環境變化以及RISC-V生態發展趨于完善的情況下,很多客戶現在考慮或者已經采用RISC-V處理器內核?!毙焯细嬖V品玩。

  外部環境變化,標志性事件莫過于中興和華為相繼被斷供關鍵零部件。2018年4月16日,美國商務部禁止美國企業向中興銷售零部件、商品、軟件和技術,致使后者業務中的芯片供應出現短缺。2019年5月16日,華為被美國列入“實體清單”,芯片危機成為全民討論的話題,行業端加快芯片自主化。

  事實上,中國本土對芯片自主化的嘗試,一直沒有中斷過。

  “但有兩條路被證明是走不通的,一條就是關起門來自己做一套東西,比較典型的就是龍芯。因為芯片還是一個商品,性能再高,沒人用就無法體現出價值,所以必須有相應的生態系統發揮價值。第二條路就是跟在別人后面,國內有許多公司做x86、ARM、IBMPower的芯片,在某些特殊領域,用這些指令集架構確實可以做一些事情,但是因為受到ISA(指令集架構)所屬公司知識產權(IP)的控制,很難取得成功?!卑雽w行業資深人士方之熙說。他曾任Intel副總裁和Intel中國研究院第一任院長,2018年被任命為RISC-V基金會中國顧問委員會主席。

  在特定的大背景下,RISC-V憑借著開源特性,在中國本土迎來繁榮發展期。

  首先從政策層面來看。2018年7月,距離“中興事件”不到100天,上海市政府發布了一份支持軟件和集成電路的政策,其中明確提到“支持基于RISC-V指令集架構、32位及以上的處理器芯片的研發及產業化”,并且要求“內核需擁有自主知識產權”。項目實施周期規定在兩年內(2018.7.1–2020.6.30)。由此,上海市成為中國本土首個出臺政策,支持RISC-V指令集的城市。

  其次在行業層面,中國本土相關的行業聯盟逐漸形成。RISC-V生態的發展,很大程度上是依靠行業整體,而不像x86和ARM一樣,系于某一家商業公司。比如,在海外RISC-V生態建設中,RISC-V基金會(現更名為“RISC-V國際協會”)起到了非常重要的作用。

  2018年9月,中國RISC-V產業聯盟成立,聚焦于RISC-V產業落地。11月,中國開放指令生態(RISC-V)聯盟在世界互聯網大會上成立,中科院計算所倪光南院士任理事長。兩個聯盟成立的初衷,都是為了推動中國本土RISC-V生態的完善,不過中國RISC-V產業聯盟聚焦于產業落地,中國開放指令生態(RISC-V)聯盟更靠近學術界?! ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

  而在公司層面,2018–2020年間中國本土芯片行業涉及RISC-V的初創成立和資本運作十分活躍。

  2018年4月,阿里巴巴全資收購中天微。9月,阿里巴巴在云棲大會上宣布,將中天微和達摩院芯片業務進行整合,成立“平頭哥半導體”。同月,中天微推出了基于RISC-V的自主指令架構C-SKY,以及第一款RISC-V低功耗處理器CK902,并且很快就獲得了松果電子和伏達半導體兩家客戶。

  2019年7月,平頭哥發布了RISC-VIP核玄鐵910。它支持16核,主頻可達2.5GHz,單核性能達到7.1Coremark/MHz,較業界主流芯片性能提高40%,較標準指令性能高出20%?! ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

  據電子創新網報道,玄鐵發布后,全志科技第一時間趕到了平頭哥進行測試。一年后,全志科技宣布與平頭哥合作開發基于玄鐵內核的通用算力芯片,應用于工業控制、智能家居和消費電子等領域,預計3年出貨5000萬顆。不過,全志科技采用的是玄鐵系列的906和902,性能不及910。成立于2007年的全志科技,是國內老牌的芯片設計廠商,年出貨量在億級以上。過去,他們主要使用ARM授權,近年來開始采用RISC-V指令集。

  胡振波也在2018年6月成立了“芯來科技”——一家專門做RISC-V內核IP的公司。在接受媒體采訪時,他如此解釋創立公司的初衷:“在我所開發的蜂鳥E203面世的時候,基本上還是與國外處于同一起跑線,但是我目睹了國外很多專業RISC-V內核IP公司陸續出現并飛速發展……國內的CPU業界仍然停留在對RISC-V的質疑中,遲遲沒有行動……我心急如焚,我對我的小伙伴們說,我要創立一家中國大陸專業做RISC-V內核IP的公司?!?/p>

  自成立以來,芯來科技已經形成了完備的IP產品布局:100系列、200系列、300系列、600系列和900系列,涵蓋了從低功耗到中高性能場景,基本能全面對標ARM的產品線?! ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

(芯來科技IP產品總覽圖)

  截至2020年12月,芯來科技的客戶已覆蓋國內外超200家芯片公司和系統公司,并且其客戶群體不乏行業頭部企業。比如,2019年8月,芯來科技和兆易創新聯合推出了全球首個基于RISC-V的32位通用MCU(微控制單元),其內核Bumblebee由兩家公司共同研發。兆易創新是國內MCU市場第一梯隊選手,其以ARM架構為主的MCU產品已經躋身高端市場,近年來開始嘗試基于RISC-V內核的芯片。

  芯來科技在資本市場上的表現,也很搶眼:2020年8月,完成了一輪戰略融資,領投方是小米長江產業基金;12月底,又完成最新一輪融資,天際資本領投,中關村芯創集成電路基金、臨芯投資和啟榕創投跟投,老股東小米長江產業基金、藍馳創投、新微資本繼續追投?! ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

  芯片設計平臺即服務公司“芯原科技”,也選擇了加入RISC-V陣營。這家成立于2001年的公司,是國內唯一一家在全球半導體IP市場中,占有率排進前十的廠商。

  談到為什么會選擇RISC-V的原因,芯原科技創始人戴偉民表示,芯原作為芯片設計平臺即服務公司,除了有設計服務業務之外,還擁有大量的IP,目前公司擁有包括GPU、VPU、數據壓縮、神經網絡處理器、ISP、DPU等IP,唯獨缺少CPUIP,這是選擇RISC-V的重要原因。

  關注到中國RISC-V生態發展的,還有RISC-V指令集的創始團隊。他們在2015年成立了一家推動RISC-V商業化的公司“SiFive”,獲得高通、Intel和三星三大半導體公司投資。2018年,由RISC-V開創者和業內資深專家組成的團隊,在中國建立了一個獨立運營的本土企業“賽昉科技”?! ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

  賽昉科技CEO徐滔在接受采訪時說:“我們團隊擁有 IC產業界20、30年經驗,篤信中國將成為世界上最大的IC市場和原產地,因此在技術和管理上需要有充分的自主權,這是我們成立賽昉科技的初衷?!?/p>

  賽昉科技與SiFive是戰略合作的關系,“從公司治理和資本結構來講,賽昉擁有獨立的董事會,投資人也包括來自中國本土的投資機構,企業也是本土獨立運營和管理”。

  通過自主研發,賽昉科技將RISC-V技術進行本土化。比如,2020年9月,賽昉科技發布了首個基于RISC-V的人工智能處理平臺“驚鴻7100”,主要面向自動駕駛、無人機、公共安全、交通管理和智能家居等領域。12月,賽昉科技推出全球性能最高的面向高性能計算場景的RISC-V處理器內核——天樞系列處理器。

  “賽昉科技已有100多個CoreIP使用案例?!毙焯蠈ζ吠姹硎?,“比如2020年7月,紫光旗下新華三半導體就采用了我們的RISC-V多核處理器,用于下一代高性能網絡處理器中?!?/p>

  相比專門的芯片廠商,作為一個終端品牌廠商,華米科技在2018年9月17日推出全球首款RISC-V可穿戴處理器“黃山1號”,讓很多人感到意外?! ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

  據騰訊一線報道,華米科技最早也在內部做過推演,評估自己做芯片是否有意義,是否找做芯片的公司合作就行了。不過,華米團隊很快意識到,芯片等同于硬件的“心臟”,要想硬件性能好,首先需要固化“心臟”的AI神經網絡,這需要云端大規模的數據才能訓練出來。

  華米做健康手環積累了大量數據,這是其做芯片的優勢所在。而之所以在眾多構架中選擇了RISC-V,是因為這個構架的前瞻性,簡單、安全、可擴展。早在2016年,華米就開始與SiFive在芯片領域進行合作,并在2018年6月與Intel和西部數碼一起投資了SiFive。不到一年,華米科技又參與投資了法國一家半導體公司GreenWavesTechnologies。這家公司是RISC-V開源生態中最早的芯片供應商之一,主要面向低功耗的IoT市場。

  2020年6月15日,華米科技又發布了黃山2號芯片。華米表示,相?于在可穿戴設備中常?的ARMCortex-M4架構處理器,黃山2號的整體運算效率提升了38%?

  經過一波快速發展后,中國本土已經形成了完整的RISC-V產業鏈:在產業最上游,是芯片內核IP設計公司,這一類公司有阿里巴巴達摩院(中天微)、芯來科技、芯原科技和賽昉科技等;在產業中游,是芯片設計公司,比如兆易創新、全志科技、北京君正和樂鑫科技等;產業下游,是終端品牌廠商,比如華米、小米、華為和阿里巴巴。

  從中低功耗到高性能計算

  由于RISC-V開放、模塊化和可擴展性的特性,大部分RISC-V產品都聚焦于中低功耗市場,最大應用場景是IoT。

  據芯來科技介紹,由于摩爾定律和登納德縮放比例定律的相繼失效,通用處理器逐漸無法滿足對整體系列能效比的追求,基于領域的架構設計(DSA,DesignSpecificArchitecture)的設計理念,逐漸成為共識和趨勢。而RISC-V架構一個顯著的特征,便是開放的可擴展性,便于實現面向特定領域的架構設計。

  此外,RISC-V生態不如x86和ARM的問題,在IoT領域也不是那么突出。這里的生態是指,軟件棧是否完善,比如說操作系統。移動設備、桌面設備和服務器,是對軟件棧比較依賴的市場。但IoT領域,對生態依賴沒這么大,是一個天然的“碎片化”市場。

  據電子工程專輯報道,嵌入式軟件協會副理事長何小慶說:“做生態最難的實際是移動市場,其次是桌面、服務器。而IoT生態實則要容易得多,IoT生態鏈本身就比較短?!毙緛砜萍糃EO胡振波也表達了類似的觀點:“服務器、桌面的軟件生態難以逾越,但在嵌入式領域,軟件生態并沒有人們想象得那么可怕,甚至并沒有什么太大的軟件生態?!薄 ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

  而對于碎片化可能會給RISC-V生態帶來的問題,徐滔認為:“很多人認為RISC-V是開源開放的,很可能存在碎片化問題。我們需要先區分碎片化和多樣化。碎片化就是用不同的方法做同樣的事情。而多樣化是采用不同方式解決不同的問題。所以各種各樣符合標準指令集的RISC-V處理器,不是碎片化而是多樣化,因為實際需求各不相同,這些采用不同RISC-V標準擴展指令的處理器解決了不同的問題?!?/p>

  相比中低功耗市場,RISC-V在高性能計算領域的發展仍不充分。在接受與非網采訪時,徐滔說:“我們認為RISC-V經過數年發展,在中低端應用領域已經較為成熟,但是在高性能計算及人工智能應用領域上與其他架構處理器(主要是ARM)相比較還有差距,相關生態上的資源也有限?!?/p>

  部分公司看到了RISC-V在高性能計算領域的機會,賽昉科技正是其中一家?!案咝阅苡嬎愕男聭脠鼍?,對芯片性能和能效提出了新的要求?!毙焯细嬖V品玩,“但是之前市場上現有的RISC-V處理器IP,還都不能滿足這類高性能計算的應用場景?!?/p>

  2020年12月10日,賽昉科技發布了全球性能最高的RISC-V處理器內核-天樞系列處理器。該系列處理器針對性能和頻率做了優化,基于64位內核,采用12級流水線和7nm工藝制程,頻率最高可達3.5GHz,由臺積電代工,填補了RISC-V在高性能計算應用領域的空白?! ?/p>

開源的RISC-V:真是中國“缺芯”的解藥嗎?

  RISC-V本土生態還缺什么?

  從中低功耗市場到高性能計算領域,RISC-V在中國本土逐漸獲得更多認可。但相比海外,中國本土的RISC-V生態依然有一定的短板。徐滔告訴品玩:“目前來看國內RISC-V生態短板,主要在人才、軟件及應用生態等方面?!?/p>

  細分來看,人才短板逐漸補上,不少學校已經開設或正在規劃RISC-V的相關培訓及課程,各類有關RISC-V的大學競賽相繼召開,相關的書籍也逐漸問世。

  “對于軟件及應用生態來講,國內還尚無大型生態的成功案例?!毙焯险f,“特別是基礎軟件,比如編譯器、調試器、OS、基礎庫、上層應用框架等,國內對于此類軟件的整體貢獻度都有所差距,但是目前的增長相對較快。國內很多本土企業已經在持續完善此類軟件,差距正在逐步縮小?!?/p>

  此外,雖然中國本土的學校、研究機構、企業和個人愛好者對RISC-V有很高熱情,但在標準的參與和貢獻上,目前還是在起步階段。

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