开放指令集与开源芯片发展报告(RISC-V和MPIS)

智能计算芯世界 2021-03-08



Wave Computing 于 2018 年 12 月 17 日宣布开放其 MIPS 指令集架构以便半导体公司、开发者以及大学能快速采用 MIPS 架构用于下一代的 SoC 芯片的设计开发。Wave Computing 是致力于开发 AI 和深度学习数据流芯片的美国硅谷公司,该公司于 2018 年 6 月收购了 MIPS 公司,开放 MIPS 指令集是该公司“All in AI”战略的重要组成部分。


MIPS 指令集发展历史 MIPS 指令集从 1985 年第一个版本发布至今发已有 30 多年历史,其中 2014年发布的 MIPS Release 6 是最新的版本。每个版本的发布时间如表。



不仅如此,MIPS 架构也在不断演进,其演进路线如图所示。MIPS 指令集及架构在 2010 年以后发展迅速,至 2014 年的 5 年时间共发布了 4 个版本,在传统的整数浮点应用指令基础上逐步增加了多线程、DSP 模块、SIMD 模块以及虚拟化模块。这也与移动互联网应用的迅速发展时间相吻合,随着应用需求变化,MIPS 指令集以及架构也在迅速发展。



在 MIPS 指令集发展过程中,基本上严格保持新版本向后兼容的特点。比如MIPS Release5 可以向下兼容之前的所有指令集版本。


但在最新发布的 MIPS Release 6 版本中,这种情况发生了变化。这个版本中增加了一些新的指令并对指令集进行了简化,删除了一些不常用的指令,重新排布了指令的编码,空余出了大量的指令槽用于将来的扩展。因此,可以把 MIPS Release 6 版本看成一个几乎全新的定义。


自 2014 年发布 MIPS R6 版本之后,MIPS 公司的 IP Core 产品全面转向 MIPS R6 版本,形成覆盖高中低不同性能和应用需求的 Warrior 产品系列,而把 R6 之前的产品全部归为 Classic 系列。Warrior 产品系列又分为 M-Class,I-Class 和 P-Class 三个级别。这三个级别的产品的特性如表。



MIPS 公司的 IP Core 产品主要被应用在人工智能、汽车电子、消费类电子、IOT 以及网络等 5 个市场。其中人工智能是 Wave Computing 公司既定的方向,其技术方案将加速 AI 计算的数据流架构与 MIPS 嵌入式多线程 RISC 处理器核组合起来。


总体而言,MIPS 架构处理器在大部分行业应用中的市场份额处于下降趋势,即使在 MIPS 架构的传统优势领域,比如机顶盒、打印机控制器、WIFI 路由器、网络处理器等,也已经逐步被 ARM 架构的处理器所取代。从已有信息来看,自 2014 年 MIPS Release 6 发布以来,除 MIPS 公司自己的 Warrior 产品系列之外,尚无第二个实现 MIPS Release 6 指令集的芯片。


MIPS 开放计划包含的内容包括以下 IP 和技术架构:

>MIPS 32 和 64 位指令集,Release 6 版本

>MIPS SIMD 扩展

>MIPS DSP 扩展

>MIPS 多线程技术

>MIPS MCU

>microMIPS 架构

>MIPS 虚拟化技术


MIPS 公司对 MIPS 开放计划进行了以下澄清:


1) 此次开放计划仅仅针对 MIPS 指令集的最新版本,即 2014 年发布的Release 6 版本。在开放计划中,并不包含早期版本(即 Release 5 或更早期)。不能把 MIPS 开放计划的授权与早期版本的授权混淆。

2) 如果一个公司开发了一个基于 MIPS 开放计划授权的实现,可以不需要开源这部分代码。

3) 合作伙伴如果加入 MIPS 开发计划并且通过认证,有机会把自己的服务放在 MIPS 开源计划中进行销售。


从以上信息可以知道,MIPS 开放计划并不是开放所有版本的 MIPS 指令集,而仅仅是最新的 MIPS Release 6 版本。从 MIPS Release 6 版本的文档可以知道,该版本并不与早期版本完全兼容,其中的修改甚至包括删除大量不常用指令,将回收的指令槽用于新增加的指令,在一定程度上几乎可以看成是一个全新的指令集。由此可见,MIPS 开放计划中的 MIPS 指令集的初始生态环境并不乐观。这也是很少有产品采用基于 MIPS Release 6 指令集的 IP Core 的主要原因之一。


MIPS 开放计划与 RISC-V 的开源计划有相似之处,也有不同之处。相对自2010 开始发展的 RISC-V 指令集,MIPS 开放计划的中开放的 MIPS Release 6(2014 年)指令集优势并不明显。


与 RISC-V 指令集致力于全面的开源 ISA 不同,MIPS 开放计划仍然会存在一些商业上的顾虑和一些沉重的历史包袱,显然不如RISC-V 的开源计划来得更彻底、更纯粹。表中,对 MIPS 开放计划和 RISC-V 开源计划进行了对比。



总体来看,MIPS 开放计划在商业化应用上具有一定优势,但其 License 形式相对 RISC-V 具有一定的不确定性,而 RISC-V 的开源更为彻底,采用较为宽松的 BSD License 形式。


为了更好的理解开放指令集与开源芯片的内核,通过一张关于不同处理器芯片商业模式的表格,对芯片商业模式对比 



当讨论处理器芯片商业模式时,需从三个不同的设计层次表述:指令集规范、IP 核设计与 SoC 芯片设计。在每个层次都存在开源(免费)模式、IP 授权模式与完全私有模式。表 展示了现有主流的处理器各自的定位。


在指令集规范层次,RISC-V 和最新推出的 MIPS R6 都是开源可免费使用;ARM 和早期的 MIPS 指令集采用的是授权模式,用户需出资获取授权;Intel 对应的 X86 指令集则完全私有。


在 IP 核设计层次,伯克利早期开发的面向 RISC-V 指令集的 Rocket Core 是开源实现;而 ARM 与 SiFive 各自设计 IP 核,但用户需出资获取授权;同样,Intel 设计的 IP 核只为自己使用。


在 SoC 芯片设计层次,目前尚无成熟的开源 SoC 实现,提供 IP 授权的 SoC芯片设计也较少,仅有高通等少数几家企业;而 Intel、海思等企业有实力开发SoC,但也并不提供授权服务。


内容来源:<开放指令集与开源芯片RISC-V及MIPS发展报告>,内容仅用学习交流,版权归原组织所有。


下载链接:开放指令集与开源芯片发展报告


1 前言

1.1 背景

1.2 内容概述

2 开放指令集与开源芯片的兴起

2.1 芯片设计高门槛现

2.2 传统芯片设计模式

2.3 开源软件的启示

2.4 开放指令集趋势

2.5 开源芯片的意义与可行性

3 RISC-V 开放指令集生态现状

3.1 RISC-V 起源3.2 RISC-V 指令集特点

3.3 RISC-V 基金会

3.4 RISC-V 研讨会/峰会

3.5 RISC-V 软硬件生态

3.6 RISC-V 在中国的发展

3.6.1 中国企业

3.6.2 中国的研究

3.6.3 中国的教育

3.6.4 中国联盟与组织

3.7 RISC-V 相关资源信息

3.7.1 教材资料

3.7.2 社区动态

3.7.3 国际项目

4 MIPS 开放生态现状

4.1 MIPS 开放计划介绍

4.2 MIPS 指令集发展历史及 MIPS 公司主要产品

4.2.1 MIPS 指令集发展历史

4.2.2 MIPS 公司主要产品

4.3 MIPS 开放计划特点

4.4 MIPS 开放计划与 RISC-V 开源计划对比

4.5 芯片商业模式对比

5 开源芯片发展现状

5.1 芯片设计流程

5.1.1 芯片前端设计流程

5.1.2 芯片后端设计流程

5.2 以往开源芯片现状与分析

5.3 开源 IP

5.4 开源工具链

5.5 开源芯片“死结”与突破口

5.6 芯片敏捷开发

5.7 敏捷开发案例

5.7.1 Chisel 与 Verilog 编码效率对比

5.7.2 Chisel 与 Verilog 编码质量对比

6 业界动态

6.1 RISC-V 代表性企业与产品

6.2 MIPS 代表性企业与产品

6.2.1 MIPS 处理器的应用领域

6.2.2 MIPS 指令集在中国的发展现状

7 各国战略计划与项目部署

7.1 美国

7.2 欧洲

7.3 印度

7.4 以色列

8 挑战、机遇与未来发展方向

8.1 面临挑战

8.2 机遇

8.3 未来发展方向

9 总结





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