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与X86/Arm三分天下,RISC-V还需几步?

与X86/Arm三分天下,RISC-V还需几步?

RISC-V指令集架构目前在中国受到的关注度越来越高,涌现出一大批以RISC-V为处理器核心的创业公司,生态系统也呈现出一片欣欣向荣的景象……

Semico Research的最新市场调研报告预测,预计到2025年,采用RISC-V架构的芯片数量将达到624亿颗,2018年-2025年的年复合增长率(CAGR)高达146.2%,主要应用市场包括计算机、消费电子、通信、交通和工业,其中物联网应用市场占比最高,约为167亿个内核。agAesmc

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RISC-V内核的增长趋势及主要应用市场(来源:Semico Research)agAesmc

开源硬件产业开始崛起

在主流指令集X86闭源、Arm授权费用昂贵的背景下,专攻物联网等新兴市场的开源RISC-V指令集,能否与X86、Arm生态形成错位竞争?其代表的开源硬件产业生态,能否成为潜在的打破当前处理器垄断局面的一股重要力量?变成了人们在2020年关注和讨论的焦点。agAesmc

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核芯互联科技有限公司总经理兼首席技术官胡康桥agAesmc

核芯互联(CORELINK)科技有限公司总经理兼首席技术官胡康桥分析称,目前,RISC-V指令集的商业模式还是以IP核授权和定制化芯片为主,尽管有公司开始向通用MCU市场发力,但短期内的格局并不会有太大变化。另一方面,芯片行业目前想要在商业模式上进行创新已经比较困难了,最终比拼的还是各家产品在性能、功耗、面积、成本、易用性等方面的硬实力。而在业界最为关注的安全领域,国产合规将是大方向,除了引入类似ARM Trust Zone之类的技术之外,在加解密模块上也会更多的引入国密算法。agAesmc

他同时认为,在我国的特殊国情和世界当前的格局下,其实还有一条路非常值得关注,那就是走“安全可控”路线。在如今国产替代的浪潮中以及“安可”联盟的驱动下,通用处理器和专用处理器的研发得到了极大的推动和重视,各大指令集(ISA)的国产代表厂商纷纷推出自己的“安可”产品,例如采用X86的兆芯;采用Arm的飞腾、海思;采用阿尔法的申威;采用MIPS的龙芯,唯独缺少能代表RISC-V指令集的CPU产品。谁要是能以第一款高性能RISC-V处理器入局“安可”联盟,必定会在中国市场上掀起波澜。agAesmc

事实上,RISC-V架构可以应用于所有运算设备,5G通信设备、服务器、超算等应用都可以采用,而且在技术和生态方面也不存在问题。尤其是在当前的智能移动时代,AIoT是RISC-V一个很好的切入点,未来市场将会非常庞大,基于RISC-V的微处理器内核加上AI运算协处理器IP,会在AIoT各个细分领域觅得良机。agAesmc

以智能硬件产品为例,其对CPU应用生态和性能的依赖低于PC、手机等产品,但它对CPU的功耗、体积和成本有着极高的敏感度,部分RISC-V架构嵌入式CPU具备比同类Arm、X86架构CPU更低的功耗、更小的面积以及更低的价格。agAesmc

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北京兆易创新科技股份有限公司MCU事业部产品市场总监金光一agAesmc

在北京兆易创新(GigaDevice)科技股份有限公司MCU事业部产品市场总监金光一看来,AIoT的发展需要四大要素:AI算法、IoT安全、处理器和服务平台。其中处理器是智能联网设备的硬件基础,大多数IoT设备都需要使用低功耗且支持无线连接的嵌入式处理器芯片,而AI相关应用也需要嵌入式处理器进行边缘计算,才能建构完整的AIoT应用。RISC-V的开源特性使得芯片设计具有自主独立性,芯片设计规划在架构上更加自由,开放的基础平台也有利于降低门槛并推动产业升级。agAesmc

不过胡康桥提醒业界说,芯片架构本身并不是AIoT领域最具决定性的要素,IC厂家对客户需求的把握能力、芯片定义能力、功耗控制能力和软硬件算法协同能力更为关键。比如在常见的电池供电型IoT芯片中,处理器核所占的面积其实只有1/5-1/10,如何做好其他部分的设计也非常关键。agAesmc

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上海赛昉科技有限公司CEO徐滔agAesmc

上海赛昉科技(SiFive)有限公司CEO徐滔特别谈到了RISC-V在安全性领域取得的突破。2019年10月,SiFive发布了面向SoC设计安全的全新架构—SiFive Shield,这是一个开放、可伸缩的系统级安全解决方案,它采用多域安全保护和动态可审核的信任根来确保SoC安全性,同时又能最大程度的保证兼容性和可定制性,其体系结构规范是公开的,并在Github上开源了安全启动代码和加密库,对安全领域感兴趣的RISC-V开发者可以直接下载使用。agAesmc

根据各自公司的规划,SiFive今年将重点聚焦超高性能标量处理器、AI向量处理器、特定域架构(DSA,Domain Specific Architecture)平台解决方案和针对上述三个领域的特定IP,目标是将解决方案提升到产品等级,让合作伙伴的产品获得更有竞争力和差异性的整体性能;核芯互联将计划结合自身的模拟优势,推出一系列具有高性能模拟IP的RISC-V产品,以及一款极具模拟特色的RISC-V MCU和一款特定行业定制化MCU,用以满足下游客户对专用处理器的需要。兆易创新则会在全球首个RISC-V架构32位通用MCU产品系列基础上持续完善RISC-V生态,包括提供多种IDE、中间件、开发套件等工具支持,与合作伙伴密切合作推出更多基于GD32 RISC-V内核MCU的解决方案,举办RISC-V主题的线下活动和线上教学视频等。agAesmc

开源架构≠商业成功

RISC-V具备精简、开源、灵活、模块化、可配置、“没有历史包袱”这些优势特性,但在关键的“生态系统”问题上,过去一两年里出现了不同的声音: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。agAesmc

“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。”徐滔认为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,但从近两年的发展态势来看,基于RISC-V架构的底层软件技术、硬件开发板、上层软件应用、操作系统和终端产品层出不穷,火爆程度丝毫不亚于人工智能,甚至当近期人工智能开始遇冷时,RISC-V技术依旧受到了投资人的追捧。agAesmc

其中,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,越来越多过去与其他处理器合作的软件企业也纷纷加入到RISC-V生态之中。agAesmc

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。尽管Linux是开源的先驱,在服务器领域独占一方天地,但过去几十年里其在消费级市场所积累的生态系统依旧不如Windows,所以开源还是闭源,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。agAesmc

“芯片设计的历史已经告诉我们,消费者所选择的永远不是技术最好的。”胡康桥列举了当年的Alpha 21264,这样一颗性能与当时Intel奔腾相比一骑绝尘的芯片,最终还是没能逃脱倒闭的命运,原因就在于其在商业上败给了Wintel联盟。“这对RISC-V是一个很好的警示”,他说,新架构要想在任何领域跟其他指令集架构的处理器展开竞争,就一定要在某个领域取得商业上足够的成功。当然,取得成功的办法很多,RISC-V设计厂家可以“八仙过海,各显神通”,但最短平快的做法应该还是紧盯定制化细分市场。agAesmc

芯片定制化方兴未艾

随着应用领域的日趋细化,垂直领域的芯片定制化被认为是未来的趋势,因为厂商能够针对应用领域做优化的处理器架构(DSA)并以此形成核心技术。agAesmc

“但凡事都有两面性”,金光一说,一方面,得益于RISC-V指令的开放性,设计人员可以基于某个RISC-V规范加入需要的扩展指令,这赋予了芯片高度的灵活性和可编程性。而RISC-V开源的特质,在成本方面也更具优势,有利于降低准入门槛并加速垂直市场芯片的上市周期。但另一方面,各家厂商对RISC-V标准的扩展,应该呈现多元性而非碎片化的特征,这样才能促进软硬件生态系统的繁荣。agAesmc

徐滔表示,垂直领域SoC芯片设计包含几个阶段,首先要找到垂直的应用,确认应用场景的软件(如SDK、协议栈、操作系统等)需求。除了通用的控制外,计算所需的核心算法(如音视频、计算机视觉、深度学习等)是产品的门槛与竞争优势。在芯片设计上要采用合适的SoC架构来满足软件与算法要求以达到最优效果,并落实到与具体应用领域相关的核心IP,如CPU、DSP、ISP等。agAesmc

而RISC-V之所以能够造就DSA革新,核心原因就在于它能够在垂直领域形成的SoC平台模板上加速垂直领域的产品优化和创新能力,以及基于云端的快速SoC定制化,特别是在智能音视频领域中,基于RISC-V的灵活性和可扩展性,无论是结合第三方还是自有算法,都能够创造出具备高能效比、低功耗、安全可靠特性的创新型SoC架构,这也是RISC-V的价值所在。agAesmc

与上下游合作伙伴的配合也很重要,这一理念在SiFive所建立的Core Designer平台上已经得以实现。目前,用户基于网页界面可以完成两件事:1. 定制自己所需的CPU内核,以RTL的形式授权给客户;2. 基于CPU和硬件IP整合成适合特定垂直领域应用的子系统,这种硬件架构可以提供更好的计算能效甚至性价比,再授权给客户使用。agAesmc

但胡康桥认为DSA在技术上不能称之为难点,甚至连创新点也谈不上,只能算一个不错的切入点。在这个领域,更考验的还是厂家的商业化能力。所谓的领域专用处理器,首先得找到这样的领域,需要有下游应用和方案厂家愿意深度配合,闭门造车、不去实地调研客户的需求,是永远不可能在商业化上取得成功的。他因此建议准备在RISC-V领域大干一番的人士们多去跟用户交流,去深入地了解他们的实际需求,看他们最迫切需要解决什么样的问题:功耗、成本、面积、性能、实时性、还是安全性?agAesmc

Arm在去年的Arm Techcon大会上宣布针对Armv8-M架构推出Arm定制化指令(Custom Instructions),并将于2020 年上半年开始首先在Cortex-M33处理核心上实施,也不会对新的或既有授权厂商收取额外费用。外界普遍对此解读为Arm一是感受到了来自RISC-V的巨大竞争压力,二是体会到了定制化指令带来的好处。agAesmc

“在指令定制上,现在ARM变成了追随者,而RISC-V是引领者。”徐滔表示,垂直领域的芯片定制化业务是一种现在以及未来的趋势,在这种趋势下能找到更多芯片创新的机会。每颗IP不但有针对垂直领域的定制化需求,还要能快速交付,只有定制化才能带给用户更大的价值,例如减少不必要的冗余逻辑门数与降低功耗。agAesmc

他说定制芯片既是优势也是挑战,这里涉及两个关键点:一是参数的适配性及RISC-V IP、第三方IP和EDA工具之间的互相配合;二是在于对应用的理解,理解的越深,定制也就越到位。RISC-V的特点就是适用于定制化,而不需要做架构的调整或者优化,因为指令定制在RISC-V是原生的,用户只需要在RISC-V基础核上进行参数的设置,再选择适合的模块即可,而Arm则需要额外添加补丁来实现。agAesmc

这种新的定制化指令功能,的确为芯片开发提供了更高的灵活性,但也需要算法、代码库、编译器等配套工具的支持。而且芯片开发除了指令集架构之外,还需要同时关注芯片的接口外设、安全性、可靠性、成本等一系列问题,这对定制化来说也是客观存在的挑战。agAesmc

“可以很保守的说,95%以上的客户对于定制指令集是没有需求的,对于定制指令集有需求的客户,很可能更喜欢ASIC协处理器,因为能在功耗上做得更低。”胡康桥认为定制指令集很大程度上是为了在通用和专用之间找一个平衡点,而如何找到这个平衡点,是由市场决定的,考验着一家公司对市场认知的深刻程度。agAesmc

本文为《国际电子商情》2020年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击 这里agAesmc

原创
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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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