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自主芯片引发“核”战争:Arm与RISC-V的对决,你站哪边?

有人说,芯片在这个时代的意义不亚于上个世纪的核弹,特别是在中美贸易摩擦加剧,美国封锁华为,让大众市场看到芯片产业鲜为人知的底层竞争,其中嵌入式处理器的设计架构选择也开始被市场广泛讨论。

近日Arm断供华为海思的消息一经曝出,如何发展中国的自主芯片产业再次将ArmRISC-V这两大嵌入式处理器设计架构之争推向风口浪尖。此次小慕就来梳理下这两大架构的前世今生以及从多个维度对比下这两大对头的发展现状。

关于复杂指令集与精简指令集的前世今生

通常而言,设计制造芯片有两种不同思路的技术,CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)。虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡,以求达到高效的目的,但毕竟最初的设计思路不同,所以CISC和RISC在很多方面都有所差异:RISC的设计重点在于降低由硬件执行指令的复杂度,因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能,因此RISC设计对编译器有更高的要求;CISC的设计则更侧重于硬件执行指令的功能,使CISC的指令变得很复杂。

最早的时候大家整天被“等灯、等灯”的Intel广告洗脑,PC、服务器等高性能高功耗领域被以Intel或AMD的x86架构为代表的复杂指令集处理器所雄踞。移动时代来临之后,精简指令集的Arm架构仰仗自己的低功耗和低成本,则迅速在手机和平板等终端确立了霸主地位,华为、高通、Samsung、苹果等大厂都在基于Arm做着自己的软硬件产品。其他架构要挑战前两者几乎不可能。

但在即将到来的IoT时代,随着新需求的产生,CPU必须结构更精简,可定制程度更高,价格更亲民……精简指令集的另一个不断壮大的“新势力”RISC-V架构也有异军突起之势。

Arm、RISC-V的诞生记

Arm架构从诞生至今聚焦于低功耗设计,一直在嵌入式领域耕耘,被广大开发者所熟知。在移动互联网大发展的这几年,Arm指令集得到了苹果iOS和Google的Android的支持,成为了事实上的标准。因为都是基于同一套指令集,软件兼容问题不构成瓶颈。Arm的授权方式又极其灵活:芯片设计公司如果没有足够的芯片设计能力,可以拿Arm基于其指令集开发的公版核,低成本切入芯片设计市场;如果设计能力足够强,可以自己拿指令集授权,自主开发CPU核,从Arm软件系统生态受益的同时实现处理器的安全可控。

而RISC-V的诞生,则要从2010年说起,加州大学伯克利分校的一个研究团队准备启动一个新项目,为新项目选架构的时候研究团队看到了Arm、MIPS、SPARC和x86等。但这些指令集不仅复杂,还有很多知识产权、高昂授权费等问题。所以伯克利研究团队临时组建一个小组,并开展了一个3个月的暑期小项目设计新的指令集,目标是新的指令集能满足从微控制器到超级计算机等各种尺寸的处理器。由于在RISC-V指令集架构之前,伯克利分校已经有了四代RISC指令集架构的设计经验,第一代RISC指令集早在1981年就已经出现,因此只用了三个月设计全新的指令集RISC-V。但其实RISC-V从2010年开始到2014年才正式发布第一版用户手册,中间经历了4年。

具体地说,RISC-V指令集架构简单、完全开源并且免费,将基准指令和扩展指令分开,可以通过扩展指令做定制化的模块和扩展。RISC-V指令集在最初设计时其研发团队就明确表示要追求简约,丢弃历史包袱。目前成型的技术代码集小、支持模块化,性能优越,能够满足从微控制器到超级计算机等各种复杂程度的处理器需求,也支持从FPGAASIC乃至未来器件等多种实现方式。同时能够高效地实现各种微结构,支持大量定制与加速功能,并与现有软件及编程语言可良好适配。 

态为王,后来居上绝非易事!

事实上,芯片架构的适用与被大众所广泛接受离不开生态系统的构建。经过多年的耕耘,Arm架构在移动芯片市场已经形成了完整的生态链,通过授权赚取专利费,每年可以获得高额营收。采用Arm架构必须授权才可以,目前全球设计的移动芯片大多是按Arm公司的方案,开发的软件也是按照这个方案来设计,所以各种各样的手机都不会有兼容性的问题。

苹果,高通,三星等国外大厂选择了Arm指令集,国内厂商如华为海思,紫光展锐,瑞芯微,全志科技等也通过Arm IP参与到全球竞争,在手机和平板市场取得了较好的成绩。在物联网领域,基于Arm指令集的处理器也占据了主导地位,占据了一半的MCU市场份额。这其中,国外厂商ST,NXP,Infenion等都有基于Arm指令集的产品,国内厂商如兆易创新,同方微电子,大唐微电子,华大半导体等也通过Arm核进入了相关领域,蚕食国外厂商的市场份额。

因此,对于目前的RISC-V架构来说,由于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链,生态系统仍是其短板。但是,近两年在由RISC-V基金会牵头主导的建设下,RISC-V的生态阵营势头却也还不错,已吸引了众多高手,包括IBM、NXP、西部数据、英伟达、高通、三星、谷歌、特斯拉、华为、中天微、中兴微、阿里、高云、中科院计算所等国内外两百多家企业与科研机构加入。此外,2018年9月中国RISC-V产业联盟成立,由芯原控股、芯来科技、上海赛昉科技、杭州中天微、北京君正、兆易创新、紫光展锐、地平线等单位共同发起,旨在助推RISC-V产业生态的建设,加快RISC-V 的市场推广和产业化应用,提升产业核心竞争力。如果这样的势头保持下去,未来我们同样可以期待看到非常完整的RISC-V生态。

免费计划如火如荼,但都不是天上掉馅饼

Arm的商业模式是IP许可行业目前使用最多的,使用架构设计前就需要支付一定许可费,根据芯片数量还要设置版税。据Arm报告称,自2014年以来,许可费用一直保持平稳。但在截至2018年12月的季度中,与2017年同一季度相比,许可收入下降了34%,从1.9亿美元降至1.25亿美元。显然,这部分多多少少受Arm面向初创公司及科研机构的DesignStart计划影响,该计划取消了部分Cortex-M处理器的使用许可费,但若量产后仍需收取一定量的版税。不久前,该项目还进一步升级,在Cortex-M0和Cortex-M3的基础上,又将Arm功耗最低、面积效率最高的应用处理器Cortex-A5纳入其中,以帮助开发人员在高级设计中轻松访问支持Linux的Arm处理器。

由于物联网市场对于成本较敏感,RISC-V则充分利用其免费授权的特点对芯片厂商大做文章。RISC-V开放式架构的承诺之一是能够在指令集架构(ISA)之上“发挥”创新和开发自己的应用程序特定SoC,用户无需支付前期费用即可对其进行自定义。因此,前期成本很低。不过,RISC-V虽然开源但不等于免费,基于RISC-V开发CPU核,不需要支付指令集授权费用,但如果直接用RISC-V的内核设计SoC,也是要支付授权费的。以SiFive为例,尽管比Arm要大方,其32位处理器Coreplex E31收取30万美元,64位的Coreplex E51收取60万美元,但RISC-V也并不等于完全免费,而且随着商业模式的变化,以及将来RISC-V变得强势,授权费用也许会水涨船高。

此外,在SoC中,CPU IP只是其中的一部分,还需要许多其他物理IP和周边设备。因此,围绕CPU IP需要庞大的IP和EDA生态系统。但你只能在没有许可凭证的情况下获得CPU IP,可是周围的生态系统已经消失了。IP供应商应该看到一个可行的商业案例,以在其产品组合中添加对RISC-V的支持。假设有一个强大的社区支持RISC-V,它提供了构建SoC所需的所有IP和工具。但问题仍然是建立自定义SoC的公司是否会冒使用社区支持的ISA的风险?一旦失败可能导致多个流片,这会增加巨大的成本。而使用Arm ISA,上面提到的大多数问题都得到了缓解。你可以访问经过验证的IP,强大的生态系统(软件,云服务,安全解决方案,芯片供应商,晶圆厂)和承诺支持,而不是开源ISA提供的社区支持。这样就会大大降低设计复杂性,不过还是需要一些专业的SoC设计来构建定制处理器。

“毛衣战”的影响或将令一方受益

此前,据英国媒体BBC报道,Arm已经终止了与华为及其子公司海思的业务合作,虽说Arm并不属于美国企业,但Arm在一份备忘录中表示,因为其设计包含“源自美国的技术”,因此,它认为自己受到了特朗普政府对华为销售禁令的影响。而华为已经获得的Armv8架构的永久授权,属于Arm公司的32/64位指令集,目前的大部分处理器都是这一指令集的产物。即便Arm迫于压力不再授权指令集给华为,华为在Armv8架构上的业务也不会受到影响。但是Arm架构在不断的升级,如果其推出新一代架构,比如Armv9?而华为未获得授权,只能在下一代的处理器上继续使用v8架构,可能会在性能方面和竞争对手拉开差距。

那么RISC-V架构是否受美国法规限制呢?有业界专家表示,开源的源代码受美国宪法第一条修正案关于言论自由的保护。而软件则是产品,受出口法律管制(EAR)。但是,RISC-V既非开源代码,亦不是软件,其本质上是一套开放的计算机指令集(ISA),只是一个开放的标准。现下美国RISC-V商用IP开发商已不能向华为出售IP,但对大陆RISC-V生态而言,还需与专业律师进一步研究,找出符合规范的RISC-V实施方法。

通常而言,采用RISC-V开发芯片有三种方式,一是购买商用IP,二是采用开源代码,三是自行开发。若从美国的RISC-V商用IP开发商购买IP,则会受EAR管制,不能出售IP及提供服务给华为。若采用开源代码或自行开发,目前则不受管制,但为避免被行业标准组织终止会员资格,美国开发商仍可能选择先不向华为开放。实际上,就RISC-V发展趋势来说大陆发展速度相对较慢,不过这次受到中美贸易战刺激,可能会加速开发步伐。此外,大陆比较活跃的RISC-V IP开发商芯来科技最近启动了“一分钱计划”,也积极鼓励业界开发者采用RISC-V IP在IoT市场赢得商机。

芯来科技 “一分钱计划”,图片来源于芯来科技

你的票投给谁?

尽管相对而言,Arm是较为封闭的指令集,不能随意进行更改,架构不够灵活,但却有利于标准的建立及各厂家产品兼容性的保障。此外,除了芯片设计的架构之外,其他的周边产品也是几乎围绕着Arm架构所设计,以建立合作的方式来完成相关的产品设计的,形成了一个繁荣完善的生态链。

而RISC-V采用完全开源架构,设计者可以根据不同的需求自由定制,更改指令集,作为后起之秀目前还在开发阶段没有正式投入使用,无法建立完善的生态圈,缺乏大型公司的支持,想有所作为,仍有漫长的路要走。比如,要想从RISC-V指令集架构受益,对技术水平、资金投入和时间的要求都不低;RISC-V目前还处于早期的阶段,生态破碎化系统并不完善,目前真正宣布基于RISC-V指令集开发IP核的企业仍是凤毛麟角,而国内企业的跟随策略究竟能让RISC-V在“国产化”之潮中掀起多大的浪花呢?

不过,无论您是更看好Arm架构或是RISC-V架构,小慕都希望中国的嵌入式产业以此作为发展催化剂,早日做到自主、可控、繁荣,并且持续性创新。在2020年的慕尼黑上海电子展期间,也将有更多深耕嵌入式领域的优秀企业带着他们的先进技术产品和系统解决方案亮相,联合精彩的同期创新论坛,将搭建一个观众与行业领袖共探中国自主芯片产业发展之路的前瞻性平台。

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