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RISCV强势挑战Arm生态,中国芯片产业的最佳选择

2019年,整个半导体市场发生了太多大事件,美国实体名单、华为“备胎”方案、中国5G商用、台积电7nm量产……如果要提取关键词,RISC-V一定要记入其中,因为它让一直处于“封锁”状态的处理器架构市场豁然开朗,并有望改变全球处理器市场的格局。中国芯片市场长期浸泡在“重应用轻设计”的理念中,如果不是特朗普禁售“大棒”拍下来,恐怕至今还未醒,也将RISC-V从不温不火推向“熊熊燃烧”。

图源 | semiwiki如今,华为、高通、谷歌、三星英伟达、NXP等100多家科技公司已经加入RISC-V阵营,国内也有多家公司推出基于RISC-V架构的芯片,阿里平头哥、兆易创新、华米科技、乐鑫等均在其列。针对RISC-V架构,业内也有诸多质疑。对此,与非网记者采访了半导体行业资深人士顾长怡先生。顾长怡 | 个人简介本硕毕业于上海交通大学,后获得美国南加州大学集成电路设计专业硕士学位,在美国多家公司从事嵌入式系统和FPGA开发工作,是美国PulseRain Technology公司的创始人。2018年,全球首届RISC-V Soft CPU 设计大赛中,主持设计的PulseRain Reindeer 处理器内核脱颖而出荣获季军;第二届设计的PulseRain Rattlesnake处理器综合成绩获第一名。

01RISC-V架构是否属于真正开源?从技术层面看,开源架构分三种形式,即完全开源、部分开源、封闭模式。1、封闭模式:英特尔的x86架构就是这种模式,不经过英特尔的授权其它公司无法使用x86架构设计芯片,目前国外只有AMD拿到了x86授权,国内只有兆芯通过威盛拿到x86授权。2、部分开源:两种做法:一种是公开非核心部分,而核心部分则保持封闭。另外一种是将源代码做混淆处理(Obfuscation,比如将变量名替换为随机生成的字符串等)。这两种做法都不利于社区的合作,使得其他人很难对现有设计做进一步的改进。对于社区合作来说,最好的方式当然是“完全开源”,这样有利于不同设计团队之间互相学习与合作,博采众长。平时都说RISC-V是开源架构,实际上是指RISC-V指令集是完全开放的。但是对基于该指令集而实现的RISC-V处理器,则其设计并没有必要也向大众完全开放。实际上,对于RISC-V处理器,其设计源代码可以采取上面提到的三种形式中的任何一种。不过因为指令集开放而产生的惯性,使得目前大部分的RISC-V处理器设计也都采用了“完全开源”的形式。

RISC-V架构解析 图源 | 网络而这对RISC-V的发展是非常有利。除了前面提到的处理器设计可以博采众长以外,这还极大方便了操作系统和编译器的开发,并使系统优化整合变得相对容易。我觉得这种从下到上的完全开放才是RISC-V最大的技术优势。目前,不仅采用RISC-V架构的芯片厂商越来越多,加入RISC-V阵营的IP厂商也在不断增加,国内相关厂商已推了针对RISC-V架构的IP产品。随着IP厂商开启收费模式,RISC-V是否还算真正的开源架构?用户使用的门槛是否会持续加大?顾长怡给出答案:RISC-V的处理器设计可以采取“完全开源”、“部分开源”、“封闭模式”这三种形式中的任何一种。相信随着RISC-V商业化运营的深入,会有越来越多的公司选择后两者。不过,讨论谁是“真正的”开源架构可能并没有那么重要,毕竟“不管黑猫白猫,能捉老鼠的就是好猫。”而且也不觉得用户使用的门槛会因为商业化运营而持续加大。恰恰相反,由于大量“完全开源”设计的存在和ARM的强势竞争,用户使用的门槛很可能会一直保持在比较低的水平。

02RISC-V能否承载中国IC崛起之重?自己强大才是真的强大,美国在芯片市场处处发难也激起了国内创业者自主研发IC的热情。RISC-V的开源吸引了全球的关注,印度已经将RISC-V定为国家指令集;以色列国家创新局将基于RISC-V研制作为全国企业服务的处理平台。

图源 | Nikkei Asian Review去年,RISC-V中国联盟成立,上海市政府宣布支持RISC-V架构芯片,RISC-V中国联盟秘书长包云岗认为,“RISC-V 指令集有望像开源软件生态中的Linux那样,成为计算机芯片与系统创新的基石。”中国RISC-V联盟秘书处主任、中科院计算所高级工程师张科曾表示:在各类芯片中,处理器芯片是设计与制造过程中最为复杂的一类芯片,被公认为“集成电路皇冠上的明珠”,更是各国争相抢占的制高点,而指令集架构是处理器芯片的“灵魂”。如果处理器芯片能够基于开放、免费的指令集架构设计,并将设计源代码等文件开源,势必推动芯片及信息产业的新一轮变革。在这样的大背景下,RISC-V被看作中国集成电路领域的新机遇,被寄予很高的期望, 顾长怡先生从技术角度发表自己的看法,RISC-V是否能承担起这样的责任,这个我不敢妄下断语。可以肯定的是,RISC-V是目前最好选择。RISC-V不论是技术的先进性,还是软硬件生态系统的规模,目前在所有的开源指令集中都是最棒的。

03RISC-V和Arm未来竞争格局如何?在RISC-V压力下,Arm也在调整业务模式。2019年7月,Arm推出了Flexible Access业务模式。

RISC-V来势汹汹 图源 | SemiWiKi一般情况下,合作伙伴从Arm获得单个组件的许可,并在使用该技术之前预先支付许可费用。而通过Arm Flexible Access模式,用户只需支付少量费用,就能获得广泛的技术组合。该组合包括SoC设计所需的所有基本知识产权(IP)和工具,然后只需在产品准备好生产并开始发货时,向Arm支付许可费用和专利费用。在2019年的Arm技术大会上,ARM宣布将在部分ARMv8 Cortex-M系列CPU内核中引入自定义指令功能,即客户能够编写自己的定制指令来加速其特定用例、嵌入式和物联网应用程序。随着移动互联网市场走向饱和,Arm已经意识到危机,“加入自定义指令功能”、“下调IP授权费”就是在应对RISC-V架构带来的冲击,ARM Cortex-M系列CPU内核主要应用于对性能要求较低、对于功耗和成本要求较高的物联网领域。关于RISC-V给Arm带来的威胁,顾长怡表示,“除了祖师爷SiFive之外的其它RISC-V公司,如果要单纯重复ARM这种License + Royalty的商业模式,在发展上也许会遇到瓶颈。这可能会导致未来只有拥有RISC-V物理芯片产品的公司才能获得较大的发展机遇。”短期内,ARM依然会占据中高端市场,而RISC-V则会在一些碎片化的市场领域,比如高校教育培训、物联网等占据比较大的份额。未来,RISC-V要在物联网应用上实现完全的统一也许很难,但会占据比较大的市场份额。因为像物联网这样严重碎片化的应用场景,对客制化的需求非常大,RISC-V天生的开放特性,成为首选。

04工程师们应该如何学习RISC-V技术?

图源 | Antmicro越来越多工程师开始学习RISC-V技术,在学习过程中,工程师应该注意哪些问题?与非网记者也让顾长怡先生站在工程师的角度进行解答。最重要的就是要学习RISC-V的设计思想。RISC-V在其形成过程中,从其它各种流行的指令集吸取了经验教训,并做了改进、创新和取舍。而这种在各种方案中进行分析比较,并做出折衷的过程,也许是工程师最重要的技能之一。因为在工程项目之初,往往有许多互相矛盾的设计需求,这个时候make meaningful compromise往往是项目成败的关键。而RISC-V背后的设计思想,则很好地体现了这个过程,很有学习和借鉴价值。

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