RISC-V：或是芯片自主的关键机会

前言:

在半导体的历史上,X86、ARM作为主流架构一直都占有着很大的市场。随着物联网时代的来临。

而RISC-V作为新兴架构,以其精简的体量,或许在未来的IoT领域中能取得绝对的优势,其他的应用场景还包括手机、服务器、存储等市场。

作者|方文

完全开源是RISC-V的初衷也是关键特性

2020年,芯片产业对自主可控的迫切需求,对垄断危机的担忧,让中国半导体从业者孜孜以求。

开源精神是RISC-V初衷,RISC-V的开发团队希望这是一个完全开放的指令架构,可以为任何组织机构和商业组织所使用。

越来越多的中国创业公司将目光投向RISC-V芯片的设计和开发,以期在物联网、AI等新兴市场取得突破性发展。

开源的特性让RISC-V的使用并不会受到单一公司的绑定,因此也一度被认为是我国实现芯片自主的希望。

如今,在芯片设计的核心环节就出现了这样的机会,即利用完全开源开放,可被自由使用的指令集架构RISC-V来设计处理器。

这一关键领域,长期以来都被x86架构和ARM架构主导,而RISC-V却因其在物联网、AI等新兴市场的巨大发展潜力被视为ARM的最强竞争对手。

RISC-V的核心特点

①完全开源:RISC-V是开源指令集架构(ISA),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。

②架构简单:RISC-V的规范文档仅有145页,这意味着使用RISC-V进行软硬件研发的工程师们能更容易上手,更快进行开发验证,可以缩短芯片和软件的研发周期、降低成本。

而在处理器领域的主流架构的x86与ARM指令数目多、冗余严重、文档数量庞大使得开发人员在x86与ARM在这些架构上开发新的操作系统或者直接开发应用门槛很高。

③模块化设计:RISC-V还采用模块化设计将其不同部分组织在一起,从而使得通过统一架构满足各种不同的应用成为可能。

但ARM却难以做到的模块化兼容,其架构中应用操作系统、实时和嵌入式三个领域,彼此之间并不兼容。

RISC-V拥有的四大优势

①设计优势:它降低了芯片研发门槛;

②技术上大家都是从零开始,没有任何历史包袱;

③市场优势,新的市场可以支持RISC-V发展;

④管理优势:现在没有第二家企业能打败RISC-V,同时也有利于规避其他发达国家的政策管制。

RISC-V受到中国厂商的大力拥抱

有能力购买Arm架构授权的高端客户,全球也不过十数家。

但基于RISC-V指令集的开源生态,企业可以根据应用场景或是客户的定制化需求,进行指令集级别的深度优化,实现技术上不断迭代。

RISC-V架构下,企业无需支付高额的架构授权费用,就可以进行定制优化,实现完全自主可控。

RISC-V在中国的成功,与我国芯片研发受制于人的现状不无关系。

基于开源的RISC-V,做出具有自主知识产权的芯片,培养相应的产业生态,对于中国半导体来说无疑是沙漠中的一股清泉。

尤其是在政治环境不明朗的情况下,全球90%以上的服务器芯片市场都建立在英特尔的x86架构上。

而ARM已经被日本软银收购,虽然可以买到IP授权,但缺少了设计CPU的核心能力,授权基础上的产业能否长期稳固,也是一道未解之谜。

而RISC-V指令集本身不是商品,自然也就更少争议。

除了政策上的风险之外,中国如火如荼的AI建设,也进一步驱使国内厂商拥抱RISC-V。

比如智能音箱、智能家居等更需要边缘计算能力支撑的AI硬件,对架构的灵活性要求也更高,需要不断根据市场和技术的变化来进行调整。

全球/国内RISC-V产业的发展情况

SemicoResearch预计到2025年,采用RISC-V架构的芯片数量将增至624亿颗,2018年至2025年复合增长率高达146%。

根据Tractica的预测,基于RISC-V的IP和软件工具的全球收入将在2025年增加到11亿美元,高于2018年的5200万美元。

比如西部数据还宣布计划将高达每年20亿颗的芯片转向RISC-V架构;

英伟达也公开了其在RISC-V方面的研究,指出了在深度神经网络(DNN)中应用RISC-V指令集的可能性;

三星也披露了将推出多款采用RISC-V内核架构的芯片;

另外,Google、三星和高通在内的约80家公司将联合为自动驾驶汽车等应用开发新的RISC-V芯片设计;

GreenWaves推出了基于RISC-V开源处理器架构的低功率AI物联网(IoT)应用处理器。

2014年,芯启科技开始涉足了RISC-V领域,并在接下来的几年中,陆续推出了SAR-T6系列、SAR-D9系列和TNA-300系列产品。

2018年4月,晶心科技推出了第一代基于RISC-V架构的AndeStarV5,成为了第一个采用RISC-V的主流CPUIP公司。

2018年9月,华米公司发布了号称全球智能穿戴领域第一颗基于RISC-V的人工智能芯片——黄山1号。

2018年9月,飞利信以RISV-V指令集为核心的自主可控MCU芯片研发完成基础测试工作。

2018年10月,中国RISC-V产业联盟在上海正式成立,芯原微电子担任联盟首任理事长单位,君正、晶心、芯来、致象尔微担任副理事长单位,截止2019年底,联盟已有130余家会员单位。

2018年11月,睿思芯科发布了一款基于64位RISC-V指令集的AI芯片——Pygmy。据悉,Pygmy可应用于各种物联网终端AIinference场景。

2019年7月,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。

2019年兆易创新发布了GD32VF103系列RISC-V,采用了全新的基于开源指令集架构RISC-V的Bumblebee处理器内核,由兆易创新与中国RISC-V处理器内核IP和解决方案商芯来科技联合开发。

晶心科技又于2020年1月推出了AndesCore?27系列处理器核心,该系列成为RISC-V指令集架构中领先支持向量扩展架构(RISC-VV-extension)的处理器。

2020年9月28日,赛昉科技发布了一款基于RISC-V的人工智能视觉处理平台惊鸿7100;随后的12月,发布了基于RISC-V的处理器内核天枢系列处理器。

开源架构≠商业成功

开源还是闭源,并不是改变竞争格局的关键性因素,只有商业上的成功,才是改变竞争格局的关键。

商业化发展最为重要的关键,还是终端应用是否有意愿大量使用RISC-V架构的主流产品,例如智慧电表、智慧穿戴或是智能马达控制。

RISC-V在关键的生态系统问题上,有人认为相比Arm、x86这类生态已经十分成熟的商业架构,RISC-V的生态系统仍显脆弱;

但也有人认为在RISC-V最擅长的AIoT领域,生态链比较短,搭建起来其实容易的多。

生态的成熟并不是一蹴而就的,需要一个漫长的生态链培育过程。

RISC-V相对于其他老牌的处理器架构来说,从规范正式发布至今尽管只有5-6年的历史。

软件层面支持力度的继续加大,被普遍视作RISC-V生态系统搭建过程中的重大利好消息。

比如实时操作系统FreeRTOS/RT-Thread、Linux操作系统Fedora/Debian、编译器IAR/卡姆派乐、调试器Lauterbach/SEGGER等都开始全面兼容并支持RISC-V。

然而需要正视的是,在手机、桌面、平板、工控等领域,RISC-V获得的软件支持力度仍然较为欠缺。

只是,RISC-V是指令集开源,各个公司想要设计结构的话还是要自己出钱,而选择RISC-V最大的优势就是能够让过去那些无效的提高性能的方法得以实现。

而开源指令集方面,有MIPS与RISC-V较为相似,但也存在难以弥补的不足。

此外,成本优势很难成为其与ARM竞争的优势,因为虽然RISC-V核心指令集是免费的,但从设计工具、周边IP到制造服务等,没有一项是免费的。

结尾:

如果说x86时代WinTel拼杀的是PC和服务器,ARM+安卓争夺的是智能手机的江山,那么RISC-V与中国产业的拥抱将以AIoT为粘合剂。

RISC-V是本土集成电路产业振兴的最后一个时间窗口,是处理器产业最后也是最好的机会。

在目前的国际形势下,发力RISC-V更有其特殊意义。尽管在中美贸易话题下,国产替代的话题日益突出,但RISC-V究其根本只是指令集,从指令集到完整设计,仍有一条长路要走。