与X86/Arm三分天下,RISC-V还需几步?

2020年03月30日

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。

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

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。

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。

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。

上海赛昉科技有限公司CEO徐滔

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。

根据公司的规划,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。

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。

“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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

“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。

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。

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。

文章节选自ESM国际电子商情,作者:ASPENCORE中国区首席分析师 邵乐峰,其目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

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