为什么中国市场对采用RISC-V架构有如此高的热情?RISC-V对中国半导体产业来说又有哪些方面的意义?

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中国目前有大约300家以上的公司都在关注或以RISC-V指令集进行开发,2018年还先后成立了“中国RISC-V产业联盟”和“中国开放指令生态系统(RISC-V)联盟”,因此很多人会自然而然的认为RISC-V架构与产品的推动力量更可能来自中国。但与此同时,也有批评者认为整个中国RISC-V阵营看似繁荣的背后,其实是当前产业盲目追求政绩的“短平快”风气之体现——联盟数量多,社群贡献少;营销造势多,前沿研究少。RISC-V产业现状与前景怎样?还存在哪些短板?中国会不会因为RISC-V迎来新机遇?RISC-V基金会中国顾问委员会主席方之熙博士日前就上述一系列关键问题接受了《电子工程专辑》的独家专访。

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RISC-V基金会中国顾问委员会主席方之熙博士

为什么中国市场对采用RISC-V架构有如此高的热情?RISC-V对中国半导体产业来说又有哪些方面的意义?

“中国芯”一直是一个很热的话题,政府、产业、基金、市场都非常有兴趣想去了解RISC-V指令集会给他们的产品和商业模式带来哪些影响。另一方面,芯片产业涉及的领域极广,从传感器、图像/音视频处理,到5G通信、GPU、人工智能,再到最顶层的CPU。然而从国内的实际情况来看,我们在CPU方面投资巨大,但投资效率不高,甚至事倍功半,所以当开源免费的RISC-V指令集出来之后,产业界自然对其抱有极大的期望。

我在芯片行业工作了几十年,深知生态系统建设的重要性。从PC时代的WinTel联盟,到智能手机时代的Arm+安卓,都是如此。后来者并非产品本身不好,更多是难以撼动已有生态系统的优势,只能亦步亦趋的跟随,很难成功。但RISC-V正好是具备开放属性的,是封闭、独家指令集的最好替代品。对中国企业来说,使用RISC-V指令集既能和国际接轨,不闭门造车,又没有“Me Too”的限制,所以无论从技术还是商业角度来看,RISC-V在中国是有可能成功的,这对中国相关产业的意义十分巨大。

对于任何新技术,特别是一项开放标准,人们总是会问“时机已经成熟了吗?”这样的问题。那么,RISC-V目前处于什么阶段呢?RISC-V最具前景的应用场景有哪些?

RISC-V指令集从技术层面来讲已经比较成熟了,相比X86和Arm,它没有历史包袱,是一个非常精简漂亮的系统架构。简单来说,RISC-V指令集基本分为四类:以开源指令集体系结构(ISA)为代表的核心指令集、ISA中的可选择指令集、用户指令(Customer Instruction)和系统指令(也被称作“特权指令”),支持包括图形引擎、机器学习和人工智能、网络、存储、安全性、嵌入式和通用型处理器在内的多种应用程序。接下来,随着RISC-V生态系统的不断扩大,其开发工具、FGPA软核、IP和设计服务也会不断增多,还将支持更多操作系统。

目前,有很多企业和初创企业把RISC-V指令集运用在创新的行业应用中,也有学术机构和政府资助项目把RISC-V指令集应用到其它有趣的领域。在我看来,主要会集中在以下四大领域:

  • 物联网。物联网属于高度碎片化的市场,但它对软硬件生态系统的要求不像手机、PC和服务器芯片那么高。而且不同于当下最流行的Arm架构,一些中小型公司完全可以从实际应用出发向RISC-V指令集中添加新的指令,但这对Arm 来说就很难。
  • RISC-V控制器。以西部数据、英伟达最具代表性,他们会在自己的产品中内嵌一个RISC-V CPU来降低成本和功耗,提高安全性和灵活性。
  • 数据中心。主要用于加速、深度学习,更强调对应用场景的定制化设计。
  • 增量市场。以智能音箱、智能家居产品最具代表性,这一类应用更强调“边缘计算”能力,对灵活性要求高,遇到市场和技术变化要求能够及时做出调整。

RISC-V指令集目前对于手机、PC和刀片式服务器市场来说还是远远不够成熟的,它更适合碎片化市场。从创始人Patterson和Hennessy最近发表的文章来看,他们认为CPU已经演进到加速处理单元(Accelerated Processing Unit, APU)阶段,用户需要根据不同的应用来设计不同的系统架构,从这个角度来看,RISC-V无疑是非常优秀的指令集架构。

RISC-V指令集的生态系统、芯片/系统开发人员的平台选择、安全性、软件、投资等问题是否得到了很好的解决?

RISC-V基金会目前拥有超过210名企业、学术和个人会员,使命是保护“RISC-V指令集是全行业的单一指令集”的神圣性,并鼓励全球应用RISC-V指令集标准。2018年11月,RISC-V基金会还宣布成立中国顾问委员会,指导RISC-V基金会在中国的教育和应用战略,并与中国企业、个人贡献者以及其他利益相关者密切合作,以加快RISC-V指令集在中国市场的应用。截至目前,RISC-V基金会在中国的业务已经扩展至超过25个企业和大学。

但RISC-V的系统指令、特权指令里没有安全指令,相比ARM TrustZone、英特尔SGX、AMD SME/SEV来说是有欠缺的。所以RISC-V基金会最近成立了RISC-V安全常务委员会,主要围绕基于RISC-V指令集的物联网设备、嵌入式系统和机器学习等应用讨论潜在的安全改进方案。考虑到安全问题比较敏感,基金会倾向于在保留基本架构的前提下,将安全指令的具体定义权下放到各个国家。

资金和软件方面的问题,RISC-V是一个开源架构,RISC-V基金会是一个非盈利组织,目前在上面运行的只是GCC、Linux等基本软件,缺少系统级软件的支持,这个问题需要解决,RISC-V基金会董事会成员和会员公司也都意识到了这一点。虽然我们最近重点增加了对嵌入式和计算发行版的Linux操作系统支持,比如与Linux基金会合作,通过改善对所有计算平台新应用程序和架构开发的支持,发展壮大RISC-V的生态系统,但要支持更多的系统软件,离不开各国政府和企业的资金支持。

开源指令集并不是什么新鲜事物,但为什么只有RISC-V在短短几年时间内得到了迅速发展?Sparc、Power、MIPS等开源架构都是在热闹了一阵之后又趋于沉寂,有人认为RISC-V可能也会走同样的道路,会出现这种情况吗?

坦率的说,开源硬件以前一直没有成过气候,留给人们的印象总是,“这家公司一定要到快不行的时候,没办法,不得不开源。”再加上它们往往背着沉重的历史包袱,所以对CPU设计者来说缺乏吸引力。但RISC-V显然不是这样,它就是为开源而生的。

从我个人的观点来看,RISC-V指令集如果不犯很大错误的话,这个架构应该就是硬件和CPU的未来,RISC-V生态系统将为未来50年的计算设计和创新发展铺平道路。特别是伴随着人工智能和深度学习的普及,物联网系统的设计已经远不是“无线连接+通信芯片+Arm处理器”这么简单,它将更加智能、灵活,这很符合RISC-V的设计初衷。而且对广大中小型公司来说,RISC-V指令集已经得到了Synopsys/Cadence等设计公司的支持,采用Verilog等高级语言而不是汇编语言编写,大幅减少了设计的复杂度和工作量,提高了效率,加速了产品上市时间。

过去Arm为了防止碎片化,严格禁止用户修改指令集,这在一定程度上成就了Arm。但在IoT时代,RISC-V的支持者认为需求越差异化,开源工具越流行,指令集碎片化所带来的影响就越小;而反对者则认为指令集开源,大大降低了准入门槛,很容易造成碎片化和分裂。您对此有怎样的看法和评论?

这两种观点都有道理。反对者也是从英特尔或者Arm的经验来看,碎片化的确会造成它们“发展不上去”。RISC-V的策略是建立一个简易的小型指令集基础和模块标准扩展,适用于大多数代码,同时为不干扰标准指令集核心的应用特定扩展留出足够的空间。RISC-V的其中一个关键好处是——这是行业中的单一RISC-V标准,因此我们预计不会有人对指令集碎片化有兴趣。RISC-V基金会的技术委员会拥有一个活跃的合规工作组,负责开发开源RISC-V指令集合规套件,以供所有RISC-V应用者使用,验证指令集的合规性。但这种分割形式能不能取得成功?可能要看RISC-V后续的运作情况。

目前为止,很严重的碎片化问题还没有发生,但随着产业和技术的进一步发展,这种可能性是不能被排除的。因此这给RISC-V基金会带来了挑战,既要尽可能的让RISC-V顺利、灵活的发展,同时还要防止碎片化,这个“度”的掌握很不容易。我同意反对者的意见,就是开源容易产生碎片化。但我不同意的,是“它一定会产生碎片化”。如果处理的好,这一现象是可以避免的。

不论是Intel还是Arm,他们的成功绝不是仅仅只因为技术。所以,如果RISC-V想成为下一个在这个领域获得成功的巨头,那么它一定不能照搬Intel和Arm的商业模式。那么,RISC-V的商业模式是什么?

RISC-V一定不能照搬英特尔或是Arm的商业模式,我完全同意。但将来RISC-V的商业模式是什么?这个问题其实目前还没有答案。但其实也不必为此感到过于悲观,就好像PC诞生之初,谁也无法想象后来英特尔会和微软结合产生巨大效应;智能手机诞生之初,各式各样的操作系统会被安卓和IOS统一。所以只要它是市场真正需要的,领头羊式的企业就会诞生,新的商业模式就会诞生。

您在之前的采访中也曾谈到,市场上有厂商利用RISC-V架构单独设计或者生产了CPU/MCU芯片,也有像Nvidia、西部数据这样的厂商在自己的产品或者解决方案中嵌入一个RISC-V CPU来降低成本、提高灵活性和竞争力。所以,对于如何正确使用RISC-V架构,您有哪些好的建议?

是的,开源项目参与人多,RISC-V的芯片形态也就会有很多,我们鼓励RISC-V基金会的会员以合适的方式去使用RISC-V指令集。所以有的公司在大型SoC中使用RISC-V控制器,有的则使用RISC-V作为主处理器,RISC-V基金会致力于让每家公司最大限度地应用RISC-V指令集。但中国和美国市场还是存在差异的,我们更擅长“集中力量办大事”,所以如何将开源的RISC-V指令集与中国具体实践相结合,扬长避短,是非常值得考虑的一件事。

对商业公司来说,从得到指令集到推出得到大量用户认可的产品并非易事。这是否意味着只有具备出色设计能力的公司才有可能从开源的RISC-V架构收益?是否只有RISC-V才能实现中国国产自主的指令集架构?

的确如此,得到指令集只是第一步,接下来还要完成从指令集定义到CPU微架构设计,到整个芯片的设计和相应软件、工具链的开发和维护,以及在上面运行的操作系统,丰富的函数库以及应用程序等一系列复杂的流程。对一家芯片公司来说,它的设计要求比Arm要高,做的好坏,取决于公司的研发实力。

但反过来看,物联网市场上使用Arm架构已经导致同质化设计十分严重,红海一片。RISC-V的优势在于通过简单且可扩展的指令集提供更高效的硬件,让企业减少实施和验证的工作量。RISC-V的免费、开源模式免除了昂贵的指令集许可费,未具备自主设计SoC能力的企业可以使用第三方IP或设计服务公司来开发RISC-V设备,这对中小型公司而言尤为重要,也给那些不想使用X86和Arm架构的CPU设计公司提供了新的选择。

不过,开源硬件不是开源软件,不是拿来就能用的,指令集架构授权和CPU核授权也不是同一回事。没有设计能力,就要倒逼自己去不断学习和提升。一家真正优秀的CPU公司,必须要有自己设计芯片的能力,所以不管是英特尔、Arm、高通、海思,它们这方面都做的很好。这不是凭借运气,而是因为他们的确花了很多的努力,培训了一代又一代的人来做这些事情。

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  • 是chipsel
  • 商业模式都不清楚 嗨
  • 竟然拿Verilog 和 汇编语言来比较?
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