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商业ISA浮浮沉沉,谁是RISC-V的“定盘星”

时间:2019-08-21 作者:邵乐峰 阅读:
2010年,RISC-V项目创始人David Patterson、Andrew Waterman、Yunsup Lee和Krste Asanovic开始思考,既然在互联网、操作系统、数据库、编译器、图像等行业都有开放的标准、免费及开放的实现方式和私有化的实现方式,那么有没有可能在处理器IC领域也打造一个真正开源的、免许可、免授权费用指令集架构?未来,能否用模块化IC或者是用软件定义硬件的理念,辅之以社区的方式,去设计和维护相关标准?在这一背景下,RISC-V项目应运而生。

2010年,RISC-V项目创始人David Patterson、Andrew Waterman、Yunsup Lee和Krste Asanovic开始思考,既然在互联网、操作系统、数据库、编译器、图像等行业都有开放的标准、免费及开放的实现方式和私有化的实现方式,那么有没有可能在处理器IC领域也打造一个真正开源的、免许可、免授权费用指令集架构?未来,能否用模块化IC或者是用软件定义硬件的理念,辅之以社区的方式,去设计和维护相关标准?在这一背景下,RISC-V项目应运而生。7nhEETC-电子工程专辑

而截至今年7月,RISC-V基金会已经吸引178家企业及研究机构加入,成员总数超过327家,来自全球28个国家,覆盖了全球52%的人口,而且还在持续扩张中。其中,来自大中华地区的企业、研究机构及高校的数量达36家,占整体同类数量的20%。7nhEETC-电子工程专辑

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大中华地区RISC-V基金会机构型成员7nhEETC-电子工程专辑

商业公司ISA的浮浮沉沉

在RISC-V出现之前,历史上已经出现过多种指令集架构(ISA),比如DEC(PDP-11、VAX、Alpha)、英特尔(i960、i860、Itanium)、IBM 360、MIPS、SPARC、ARM等,各自命运跌宕起伏。其中,IBM 360指令集架构拥有超过50年的历史,是现存最老的指令集架构,得益于良好的软件生态,IBM目前仍能够销售大型机;MIPS先后被卖给了Imagination和Wave Computing公司,现在也走上了开源的道路;Sun公司将SPARC开源后又被Oracle公司并购,如今已消失无影踪;软银以40%的溢价收购ARM后,再将25%的股权卖给了Abu Dhabi基金。7nhEETC-电子工程专辑

最终,经过时间和市场的检验,超过99%的笔记本/台式机/服务器芯片都是基于AMD64 指令,超过99%的手机及平板的芯片都是基于ARM v7/v8 指令架构。为什么英特尔不可能卖手机芯片?为什么ARM的合作伙伴很少卖服务器芯片?SiFive中国区业务发展总监陈卫荣认为之所以会出现这样的情况,主要原因在于这些指令集架构的生命力往往与核心公司的经营状况、股权结构、商业目标、战略规划息息相关,“一荣俱荣,一损俱损”,存在着很大的风险。7nhEETC-电子工程专辑

和历代指令集架构相比,RISC-V主要有五点区别。7nhEETC-电子工程专辑

(1)简洁:较其他商用指令集小很多。7nhEETC-电子工程专辑
(2)全新设计:吸取了前辈的经验教训,用户和特权指令集明确分离,和微架构/工艺技术脱钩。7nhEETC-电子工程专辑
(3)模块化ISA:提供短小精干的基本指令集+标准扩展(1+N),为将来预留足够空间。7nhEETC-电子工程专辑
(4)稳定性:基本及标准扩展ISA不会再改变,通过可选扩展而非更新ISA的方式来增加指令。7nhEETC-电子工程专辑
(5)通过社区进行设计:由行业或学术专家及软件开发者组成的社区进行设计,可以共享RISC-V软件生态系统。7nhEETC-电子工程专辑

陈卫荣将传统CPU增量ISA和RISC-V ISA分别比喻为“大而全的自助餐”和“想吃什么点什么的菜单”。简单来说,就是传统CPU ISA犹如大而全的自助餐,各种应用所需指令应有尽有,不管想不想要,人均消费300元;而RISC-V ISA的设计理念更像是为用户提供了“必选菜+可选菜”的菜单组合,基础指令RV321是必选菜,可扩展指令是可选菜,用户可以根据自己的需要,自主选择不同的菜品组合,消费金额大幅下降。7nhEETC-电子工程专辑

当然,菜单中“菜品”的增加与否,会由RISC-V基金会决定何时在菜单中添加一个新菜(扩展指令),并在硬件和软件技术委员会(IG)进行扩展指令集的公开讨论后,只会就技术来讨论增加的重要性。即使菜单上出现了新菜,它们仍然是可选的,而不是所有未来实现的必须要求。这样,硬件是否需要实现完全取决于应用程序的需要,模块化组合方式实现了更小的面积和更低的功率,这对嵌入式IoT应用至关重要。7nhEETC-电子工程专辑

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RISC-V产业发展势如破竹

政府和研究机构方面,除了美国DARPA在安全征集提案中要求使用RISC-V外,印度政府已经宣布将RISC-V作为国家指令集ISA,投资$90M/$40M在RISC-V CPU项目并推出了6款不同等级的RISC-V处理器;以色列在构建基于RISC-V的孵化器;巴基斯坦政府也宣布将RISC-V列为国家级“preferred architecture”。同时,伯克利-清华两校在深圳成立RIOS实验室扶持软件生态,麻省理工学院、伯克利大学、密歇根大学、康奈尔大学等顶尖学府均开设RISC-V了课程。7nhEETC-电子工程专辑

国际方面,Andes、Codasip、Cortus、Pintouge、Nuclei、Syntacore等公司宣布推出基于RISC-V架构的IP产品,其中,又以Nuclei的“1分钱计划”和Andes的“FreeStart计划”最具代表性。美高森美(Microsemi)、恩智浦、西部数据、NVIDIA、高通则推出了相应的芯片和开发板产品,例如西部数据和SiFive合作,计划在所有研发中的存储器控制芯片中均采用RISC-V IP,未来年出货量可达20亿颗;美高森美PolarFire FPGA产品和韩国Fadu7nm SSD控制器芯片也极具代表性。7nhEETC-电子工程专辑

最新的标志性事件则是红帽(Red Hat)公司宣布加入RISC-V基金会。尽管目前RISC-V在服务器领域还稍显稚嫩,但陈卫荣认为随着红帽等更多服务器巨头的投入,RISC-V在服务器领域的未来非常值得期待。7nhEETC-电子工程专辑

在中国,近期最为热门的话题是阿里巴巴旗下的平头哥半导体公司推出了基于RISC-V架构的“玄铁910”处理器IP核,并发布“普惠芯片”计划。此外,嘉楠耘智、比特大陆、华米、紫光展锐、艾派克、优微科技等公司也纷纷推出新品,涉及AI计算、蓝牙耳机、打印机管理、快充等多个领域。7nhEETC-电子工程专辑

SiFive软件工程师总监廖士贤表示,目前人工智能芯片遇到的挑战包括精度、内存带宽、功耗以及可扩展性等许多方面,传统的CPU/GPU由于缺乏弹性,都无法很好的进行定制化设计。“尤其是对于小公司来说,Arm架构近几年改动很小,也不支持定制化,小公司又很难负担得起相关费用。”廖士贤说,“而RISC-V却能够通过创新,让架构符合应用,满足模组化定制化及特殊化需求,让客户可以专注于自己的优势上,实现更大的差异化价值。”7nhEETC-电子工程专辑

不过,担心RISC-V指令集在应用中逐步呈现“碎片化”风险的顾虑,并未因生态系统的繁荣而就此打消。对此,RISC-V基金会主席Krste Asanovic教授解释称,“碎片化”和“多元化”的本质区别在于,前者是以不同的方法做同样的事情,而后者是用不同的方法解决不同的问题。AIOT时代,需求越来越趋向差异化,只要控制得好,指令集碎片化的影响是可控的。7nhEETC-电子工程专辑

定制化芯片或成未来方向

Sifive研发副总裁胡健认为摩尔定律每年对通用型处理器性能的提升幅度,已经从1989-1999年的52%跌落到目前的3.5%,芯片无论是从提升工艺还是从增加集成度方面来看,已经达到物理极限。后摩尔时代,如何提升硬件效率,实现架构创新,通过应用驱动芯片设计,成为定制化芯片诞生的三要素。7nhEETC-电子工程专辑

在胡健看来,随着应用领域的日趋细化,一颗芯片打天下的故事已经编不下去了,市场上两种不同的创新模式正在带来巨大变革。一种是高通的芯片公司模式,典型特征是先有芯片,再有系统;软件完全依赖硬件资源;由芯片驱动技术创新。另一种则是苹果采用的垂直领域芯片定制化模式,特点包括用软件定义芯片,应用成为科技创新的主驱动力等。7nhEETC-电子工程专辑

“垂直领域的芯片定制化是未来,特点是针对应用领域做优化的处理器架构(DSA,Domain Specific Architecture)并形成核心技术,再借助软件工程及互联网概念,根据具体应用场景决定软件、协议栈和算法,实现从应用到芯片的全栈优化。”不过,胡健也指出,尽管RISC-V具备稳定、简单、模块化、简化设计、为可扩展性/专门化设计五大优势,非常适合DSA,但芯片定制仍然主要存在五个方面的挑战,分别是足够的IP资源、SoC平台、团队分工与协作、从芯片设计到验证所花费的时间、以及各种成本。7nhEETC-电子工程专辑

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针对垂直领域应用优化的DSA SoC平台7nhEETC-电子工程专辑

作为成立仅3年的RISC-V商业化公司,SiFive目前已完成101个RISC-V Design Wins,全球排名前10的半导体公司中6家成为SiFive的客户。今年6月,SiFive完成6540万美元D轮融资,投资者包括高通、英特尔和三星三大半导体巨头,累计融资金额达1.25亿美元,SiFive去年8月在中国成立的独立公司赛昉科技也获得1100万美元投资。7nhEETC-电子工程专辑

目前,SiFive可提供三种类型的RISC-V CPU内核,分别是:1. RISC-V标准指令集,将自定义空间留给客户,提升效率;2. 最大可伸缩/可配置的模块化设计,使不同应用场景获得更好的能效比与性价比;3. CPU子系统。不仅包括多个系列的成熟CPU内核IP和更多高端内核IP,还包括支持多种内核的在线定制、通过Design Share推动IP与SoC联动发展、云端设计环境Core Designer以及模板化Template概念拥有大量设计自动化工具和云端资源,并提供季度上新服务,可以让用户具备敏捷设计能力,快速完成原型设计,确保用户1小时内即可设计自己的定制化CPU,12周之内就可以完成流片。7nhEETC-电子工程专辑

标准内核方面,SiFive提供四大系列,分别面向高效能、低功耗等不同应用需求。其中,E Core为32位嵌入式处理器IP,主要应用于MCU、边缘运算、AI与IoT;S Core与U Core都是64位,S Core为嵌入式CPU IP,可应用于储存、AR/VR、机器学习;U Core为应用级CPU IP,主要应用于Linux、数据中心与互联设备。7nhEETC-电子工程专辑

DesignShare是SiFive在2017年推出的项目,通过和众多第三方IP伙伴合作提供在原型设计期间免费IP,致力于降低产品原型设计成本。如今,DesignShare合作伙伴数量已达到20个,并在持续扩张中。7nhEETC-电子工程专辑
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这种设计方法学帮助SiFive取得了相当不错的成绩。典型例证包括与台积电、微软、Cadence合作,实现了世界首款基于云端设计的芯片,此设计包括SiFive的64位多核心7nm RISC-V CPU——Freedom U540,可用于执行RISC-V的Linux操作系统和相关应用程序;韩国Fadu公司通过和SiFive合作,打造了世界首款基于RISC-V的SSD控制器,功耗和面积都只有其它竞品方案的1/3。此外在今年3月成立的CHIPS联盟中,SiFive与谷歌、西部数据、Esperanto等一同作为初始成员企业,聚焦在开源硬件和开放RISC-V体系架构上,共同定义芯片模板。7nhEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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