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中国芯片会因开源RISC-V生态而崛起吗?
奔跑的蜗牛 发布于 2019/11/25 浏览 31

RISC-V的发展背景

发展背景简述

随着中美贸易摩擦日益加剧,中国芯片的发展受到了一定程度的影响。美国提出其技术成分超过25%的产品就有可能受到美国出口管制的限制,因此芯片研发的自主可控必会成为我国发展集成电路产业的共同方向。

而且在当前,你想要构建一个高性能的计算设备,你几乎可以肯定地找到你所需要的免费和开放形式的所有软件,但运行该免费软件的处理器芯片的情况并非如此,因为无论你选择什么芯片,你所付的费用中的大部分将以专有硬件许可证形式发给英特尔、ARM或其他。

RISC-V发音为“Risk-5”,这是一种新的架构,可以在开放、免费和非限制性的许可下使用。它得到了芯片和设备制造商广泛的行业支持,并被设计成可自由扩展和可定制,以适应任何市场利基。然而,要想取得成功,它必须在技术上和经济上进行设计、验证和编程。它有着热情的支持者,但它也有着巨大的竞争,几十年来一直被挖掘到IT的中心地带。

目前,在ARM和Intel主导的竞争格局中,新的开源指令集架构RISC-V近两年的发展如同异军突起。随着以RISC-V为主体的开源芯片生态逐步建立,IoT、AI、自动驾驶以及移动终端等领域的芯片创新热情也持续升温。2019年底开始,基于RISC-V的产品将陆陆续续上市。那么,RISC-V真的会改变中国芯片的现状吗?

关于RISC-V你知道多少?

一、定义概述

RISC-V是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA),简易解释为开源软件运动相对应的一种“开源硬件”。该项目2010年始于加州大学伯克利分校,但许多贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。

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芯片和软件而不必支付给任何公司专利费。虽然这不是第一个开源指令集,但它具有重要意义,因为其设计使其适用于现代计算设备。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件,这解决了新指令集通常的弱点。

二、目前CPU的主流架构

CPU的架构一直以来是x86与ARM的天下,而自2010年RISC-V诞生以后 ,逐渐在CPU架构呈现出三足鼎立的趋势:

在服务器方面,以英特尔公司为代表的X86架构的高性能CPU占垄断地位。

在手机和手持设备基本上是以ARM公司为代表的,在嵌入式设备也是ARM,它在这一块也是非常强势的存在,也有其他公司是不错的。

在日常生活中,见到最多的是ARM,因为ARM公司主打的是IP授权为主的生态,整个生态圈是非常庞大的,基本上所有的公司都是采用ARM的架构。

三、RSIC-V的特点

相比于Arm,Intel等公司,RISC-V有几个特点:

第一,简洁至上。从微处理器角度看,RISC-V的Core(核)设计得非常精巧、简单、有效,允许运行基本的操作系统。相较于其它商用的ISAs,RISC-V ISA要小很多!

第二,允许可扩展。由非营利组织——RISC-V基金会运营的,不像过去Intel和Arm都是有Intel或Arm一家公司运营的,RISC-V核是大家(Community)运营的,只要加入基金会,成为基金会成员,就可以用。其可扩充性允许开发者加自己新的指令,而且允许开发者的设计是开源的,也可以不开源,也可以用来赚钱,也可以做研究……这种灵活的模式带来了微处理器的革命。

RISC-V是第一个硬件开源的。原来开放软件很多,像Linux和Android等,但开放硬件方面,RISC-V是第一个开源硬件、开源ISA。ISA指令集是硬件与软件的接口。本来像Intel的芯片里,其指令集是对外,但用户一般不用它的,而是用更上面的、通过微软操作系统下来。

第三,创新点很多。在微处理器产品里,从IT和IC领域里,很长时间是Intel垄断,之后有Arm,对于其他公司,由于知识产权的限制,其他公司是不能用Intel或Arm的ISA指令来做自己事情的,除非得到Intel或Arm的同意。因此,多年来,很少有开发者在架构方面做新的创新。

不过,RISC-V在此开了一扇门,允许大公司、小公司、高校师生等做产品和进行研究,都可以用它的核或开源指令集来开发自己需要或符合市场需要的东西,可以把各种工具做得很灵活,并带进来很多创新。不像过去只有一个榔头,做任何事都用这种榔头,现在允许大家开发各种各样的东西。

第四,RISC-V的指令优势多。
在现今的RISC-V业界已经有了很多商用及开源的CPU core,工业界及学术界都在迅速采用该指令集架构,更重要是获得越来越多高速成长且用户共享的软件生态支持。更有趣的是,RISC-V生态是一个不断演进的,开放,灵活共生的社区型“生命体”。

RISC-V的指令集架构主要有以下几种特点:
1 、模块化的指令子集
2 、规整的指令编码
3 、优雅的压缩指令子集
4 、特权模式
5 、自定制指令扩展
6、可配置的通用寄存器组
7、简洁的存储器访问指令
8、高效的分支跳转指令
9、简洁的子程序调用
10、无条件码执行
11、无分支延迟槽
12、简洁的运算指令

四、总结与比较

RISC-V的发展现状

看看它的发展现状,首先最大的优点是通用、开放和免费的,和以往而言相比很不一样。因而引起了业界的关注,很多大公司都纷纷的为它站台,并且纷纷把它应用到自己的芯片产品当中,或者是其他的研究当中。

中国工程院院士、中国开放指令生态(RISC-V)联盟(CRVA)理事长倪光南曾在第六届世界互联网大会表示:

RISC-V是非常好的,除了它本身的技术价值以外,它的开放特性决定了可以很容易的进行产业化。当然,我们还要加强基金会和联盟的工作,避免碎片化,形成良性循环。在这方面,我们中国开放指令生态联盟也有义不容辞的责任,要尽可能协调大家共同创新,同时也能够保持主流的标准能够延续下去。我们要迅速的培养基于RISC-V的新型开放生态,不要做历史包袱很重的ARM和X86。

市场还是要看未来,传统很多领域已经被X86和ARM垄断,RISC-V很难进入。中国现在5G兴起了,物联网、大数据、边缘计算、区块链也都在蓬勃发展,对于开源芯片来说,这些都是非常好的应用场景。在新的领域,大家都是新进入的,RISC-V应该有很大的优势。我相信新的领域很快就会超过传统领域应用的市场,中国的市场在世界上有很大的影响,我们在这方面有相当大的优势。

从整体来看,除了生态方面有一些不足以外,我们要把新一代信息技术作为切入点,加强联盟和基金会的合作,一起努力把RISC-V沿着开放的道路发展,RISC-V有希望在未来的CPU市场起重大的作用。现在有两个联盟(注:中国开放指令生态联盟和中国RISC-V产业联盟)贡献比较多,在市场上已经起了很大的作用。我们两大联盟应该更好地合作,把国际上的RISC-V生态联盟构建起来。关于国产CPU,基于X86的话,按照我们的标准经过测评以后还是不能达到预期。至于RISC-V,国际上在做,中国也有很多的企业在做,要形成一个统一的生态还是需要多方努力的。

从长远来看,特别是世界市场的角度来看,包括海思等很多公司的ARM架构授权终身使用的。但是有一个变数,中国和美国贸易摩擦以来,美国提出了美国技术成份超过25%就有可能受到美国的出口管制的限制。从这个角度来看,ARM可能比较难以摆脱,它在美国技术成份超过25%,可能会受到影响。RISC-V是有希望不太可能受到影响的,从这个角度我们比较看好,如果我们努力的话,几年之后在中国,基于RISC-V的CPU可能很多,大家要有信心。

RISC-V的可应用领域

相比X86和Arm,RISC-V的生态环境显然是最大的问题。但是不是那么难呢?也不一定,从某种意义上看,操作系统带领整个生态软件,因此保守估计,RISC-V定位新的IoT(物联网)、移动、5G、边缘计算等等。

IoT等新兴市场显然很好,因为对大家比较公平,X86或者是Arm在此还没有什么新的生态。此外,人工智能、大数据这些新兴领域,RISC-V也有可能首先进入。

我们会很保守地把RISC-V定位于新一代信息技术,但是除了移动端以外,终端服务器RISC-V也有机会进入。
倪院士分析道:Arm在移动领域的生态优势目前无法撼动,因为假设一种新技术能够做到95%、96%的兼容没有用,只要用户发现手机上的某APP不能用,不会认为是兼容的问题,会认为是手机坏了。这也是为何当年英特尔投资上百亿美元在手机市场没做成的原因。

但是在X86统治的服务器领域,RISC-V还是有机会的。Arm架构现在也在力图进入服务器领域,包括海思、飞腾,以及我们的操作系统都有源码,可以把这个生态移到服务器领域。目前根据测试结果,基于Arm64位CPU的功耗相当于X86的2/3,可见有功耗优势。因此Arm在服务器里替代X86是完全可能的,服务器生态没有问题。


全球首款采用RISC-V架构设计的芯片“黄山一号”


“黄山一号”应用于AMAZFIT的主控芯片

RISC-V体系的一些问题及未来展望

事实上在RISC-V迅速发展的当下,也曾面临着ARM提出的关于可扩展指令集可能带来碎片化、成本、生态系统、安全性、设计保证问题等多方面的质疑。

对大公司来说,ARM授权费他们给得起,加入RISC-V也只是“不把鸡蛋放在一个篮子”的战略安排。相对大企业的三心二意,采用RISC-V进行研发中国的芯片创业企业会更专注于AIoT赛道,反而更有机会成为该领域的新一代独角兽。

但是,由于完全开源,边缘侧AI市场较为分散,各个厂商根据实际业务需求扩展指令,容易导致RISC-V碎片化,阻碍形成统一的生态,导致设备兼容性缺失。未来可能会出现华为、高通、谷歌的端侧处理器虽然都基于RISC-V,但却不能跑同一套软件的窘境。

当然,在全球RISC-V生态建设的初期,我们一定会遇到各种各样的难题和挑战,但RISC-V指令集可能是最适合中国国情的,它的方针与我国秉持的开放共享、互利共赢的发展理念完美贴合。

RISC-V的几大特点,精简、安全、开源、下游市场和生态决定了RISC-V在未来的物联网时代将会大放异彩,随着RISC-V在中国越来越火爆,相信不远的未来我们就能看到基于RISC-V的自主可控芯片的诞生!


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