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    呈現三大利好態勢,RISC-V生態未來可期

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    處理器芯片是信息產業的基石,并且支撐超過10萬億元的電子制造業;指令集架構(ISA)則作為計算機系統中硬件與軟件之間交互的標準規范,是處理器芯片生態的基石。幾十年來,指令集均屬于公司私有,而加州大學伯克利分校于2010年開放的RISC-V指令集則提出了“指令集應免費”的新理念,促進了“開源芯片”的蓬勃發展。



    從芯片設計的整體流程來看,“開源芯片技術體系”具有三個層次:第一個層次是開源指令集;第二個層次是開源設計實現,第三個層次是開源工具或開放流程。首先利用開源的指令集手冊作為基礎,通過微架構設計形成處理器設計文檔,再將設計文檔通過工程開發的方式生成RTL代碼,最后利用EDA工具來完成芯片版圖。在這個過程中,開源指令集只是第一步,后續還需要進一步完成“冰山”下面的設計,實現開源及工具流程開源,這才算是打通“開源芯片”產業的全鏈條。

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    開源芯片技術體系的三個層次

    RISC-V生態陣容快速壯大

    RISC-V作為開源指令集,從設計理念上摒棄了“歷史包袱”,具有精簡、低功耗、模塊化、可擴展、開放開源等技術優勢。非盈利組織RISC-V國際基金會(RISC-V Foundation)負責RISC-V指令集架構及其軟硬件生態的標準化、保護和推廣。 

    在標準制定上,RISC-V國際基金會在2021年批準了16個規范,新增40多個RISC-V擴展;在2022年又發布了四項新規范,包括RISC-V E-Trace、RISC-V SBI、RISC-V UEFI規范和 RISC-V Zmmul僅乘法擴展,用于加速嵌入式和大型系統的設計。

    在生態建設上,RISC-V國際基金會已吸引全球70多個國家的2300個會員,覆蓋芯片廠商、芯片設計服務公司、軟件提供商等軟硬件公司,以及大學、科研機構和投資機構等,生態陣容快速壯大。截至2022年3月,在RISC-V國際基金會的機構會員中,中、美、歐三方呈現并駕齊驅的態勢。其中,中美企業的參與度較高;歐洲學術機構的參與度較高。此外,印度政府推出了RISC-V處理器發展規劃,俄羅斯則加大扶持RISC-V架構的力度,這些都體現出世界各國高度重視RISC-V的發展。

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    RISC-V國際基金會會員分布情況

    在產品實現上,RISC-V國際基金會資料顯示,全球已有111個開放或商用的RISC-V處理器核。國際方面,2011年,加州大學伯克利分校開源了基于Chisel開發的Demo級Rocket-chip,隨后又開源了一款面向更高性能目標的超標量亂序發射亂序執行處理器核BOOM Core;蘇黎世瑞士聯邦理工學院(ETHZurich)開發了一款開源的單核MCU SoC平臺,并配套了多款32位RISC-V處理器核,分別是RI5CY、Zero riscy和Micro-riscy;從2015年開始,SiFive公司發布了多種基于RISC-V的處理器內核,包括P270、P550、P550等高性能RISC-V處理器核。

    除此之外,開源處理器核只是大家能看到的“冰山一角”。實際上,在“冰山”下面,從前到后的整套芯片開發基礎設施更為龐大。這一基礎設施貫穿整個芯片設計流程,覆蓋從微結構設計空間、RTL代碼實現、RTL級仿真、形式化驗證、等價性檢查、模型檢驗、邏輯綜合等前端所需要的功能,到布局布線、時鐘樹綜合、靜態時序分析、時鐘樹綜合、物理驗證等物理設計所需要的功能,再到分辨率增強技術、光學鄰近校正、逆光刻技術等和制造相關的技術,也即所謂的“工具鏈”。

    目前,在傳統EDA行業里,Cadence、新思科技及明導國際公司在ASIC領域占據了絕大部分市場份額,賽靈思和Altera在FPGA領域占據絕對主導地位。但開源芯片的逐步推廣,也帶動了開源EDA工具鏈的發展。2018年,美國提出了開源硬件計劃,意在通過開源的EDA工具進一步降低硬件電路的設計和開發成本。同時,高校和組織也在不斷進行一系列開源EDA項目的建設,如DATC、VSDOpen和OpenROAD等。盡管和商用EDA工具相比,開源的EDA全流程工具鏈的質量還有較大差距,但是業界可以持續在“開源工具或開放流程”這個維度上,沿著“開源敏捷設計工具鏈”這個主線,推動“開源芯片生態”發展。

    產業發展需要全方位生態支持

    從技術角度看,標準的RISC-V指令集本身并沒有較大的技術難點,但由于RISC-V指令集的可擴展性、需求和設備的多樣性、硬件設計的靈活性和自由度,極易導致開發標準不一的問題和碎片化風險。在處理器設計方面,中低端RISC-V處理器的設計和實現基本沒有太大挑戰,市場上也推出了相應的量產化芯片產品;但是在高性能處理器上,由于在關鍵的微架構設計方面缺乏經驗和核心技術,業內還亟需加大對RISC-V高性能處理器架構的深入研究和探索。


    從生態角度看,RISC-V目前依然缺少完備的生態系統,遠不如X86和ARM的生態成熟。盡管RISC-V在對生態依賴較小的嵌入式、低功耗場景中應用進展較快,并且專用芯片已有一定的出貨量,但整體覆蓋面、顯示度和標桿度卻依然不夠,缺少一款能讓RISC-V“出圈”的殺手锏應用,比如基于RISC-V的超級計算機、RISC-V數據中心服務器、RISC-V桌面終端等。針對物聯網市場,RISC-V尚待大量應用的檢驗;針對高性能芯片領域,RISC-V尚需操作系統、算法庫、領域應用等軟件生態的全面支持。此外,除了RISC-V指令集開源,整個產業要實現類似互聯網行業的敏捷開發和快速迭代,還需要包括開源處理器、開源工具鏈、開源IP核、開源SoC、操作系統、編譯器等工具鏈的全方位生態支持,而這將是一個“道阻且長,任重道遠”的過程,需要國內外研發人員的共同努力。
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    RISC-V生態未來可期

    在全球CPU市場上,盡管英特爾推動的X86架構市場依舊龐大,低功耗領域則被ARM占領,但截至目前,RISC-V的出貨量已經達到100億顆,并且在嵌入式和MCU芯片領域還在不斷大量增長,這能夠說明RISC-V生態發展正呈現明顯加速態勢。RISC-V生態未來可期,并且呈現出以下幾個新態勢。

    新態勢一,高性能RISC-V處理器核已經進入競賽階段。盡管RISC-V處理器核與X86/ARM在性能上還存在一定差距,但性能差距正在快速縮小。一批國內外企業瞄準高性能RISC-V處理器,把RISC-V從嵌入式場景拓展到工業控制、自動駕駛、人工智能、通信、數據中心等對算力要求更高的場景。例如,SiFive發布了Performance系列高性能應用處理器;Ventana開發了面向數據中心的多核 RISC-V小芯片。同時,RISC-V國際基金會已成立數據中心工作組(Datacenter SIG)和高性能計算特別興趣小組(HPC SIG)。其中,數據中心工作組主要由谷歌、Ventana等組成,高性能計算特別興趣小組則由141名成員組成,專注于促進高性能RISC-V處理器生態的發展。


    新態勢二,AIoT碎片化需求帶來處理器生態變革機遇。隨著智能物聯網(AIoT)時代的到來,處理器芯片規模將達到千億顆以上。但由于物聯網AIoT的需求和市場極度碎片化,現有處理器設計方法也將更加多元化,不僅亟需發展處理器芯片設計新方法和技術體系,同時有望推動芯片公司設計業務和授權業務的全面發展。

    新態勢三,RISC-V軟件生態正在加速發展。從開發者數量和工具的豐富程度來衡量,RISC-V已經進入快速發展期,國際開源社區積極投入RISC-V軟件生態。以Linux發行版Debian為例,開源社區于2019年開始支持RISC-V,并且在全世界開源社區的努力下,僅用3年時間就完成了2萬多個軟件包中95%的移植,使RISC-V成為Debian支持的Tier-1架構。

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    Debian開源社區3年時間完成95%軟件包的移植

    總體來說,“建立開放開源、共享共治的處理器芯片生態”是在后摩爾時代應對芯片技術創新挑戰的新思路之一,而RISC-V應時而生,占據著天時地利人和,相信在全球創新力量的共同努力下,RISC-V在AIoT時代必定大有可為。


    責任編輯:張依依


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