【原创】RISC-V是振兴中国芯CPU的一剂良药吗?

winniewei 提交于 周一, 11/05/2018
【原创】RISC-V是振兴中国芯CPU的一剂良药吗?

作者: 张国斌

中国国产CPU已经集齐了SW64、LoongISA/MIPS、X86、Power、ARM、ARC等指令集,现在,开源RISC-V火了,它是否可以成为振兴中国芯CPU的一剂良药?

近日,美国商务部对福建晋华实施禁售令的做法再次让产业意识到建立自主、可控、抗风险中国半导体产业体系的重要性,这其中,CPU是最重要的一环,利用开源的指令集是否有助于我们建立自主可控繁荣的CPU生态呢?

10月17日,中国RISC-V产业联盟和上海市集成电路行业协会RISC-V专业委员会正式成立,这标志开源CPU RISC-V在中国的发展进入到高度,正如中国RISC-V首任理事长芯原微电子董事长兼总裁戴伟民博士在致辞中指出的那样:“CPU的全球争霸蕴含着深刻的产业规律,而中国为了早日实现CPU的自主可控也进行了大量的攻坚,取得了丰硕的成果。只有自行设计微架构,并且在指令集标准的授权和发展上并不受制于人,才能实现真正的自主可控;全新、开放、免费的RISC-V符合这一标准。纵观CPU发展历史,未来中国CPU必然会走向自主、可控、繁荣,但是目前看X86、ARM IP授权模式虽然繁荣但是不自主不可控,X86、ARM 架构授权繁荣、可控但不自主,基于M-core、MIPS架构的CPU虽然自主可控但不繁荣。只有RISC-V可以实现真正自主、可控和繁荣。

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他进一步指出,正是不满X86、ARM这些主流架构有严格授权机制,2010年由加州大学伯克利分校牵头创立的新型指令集RISC-V走了完全不同道路,其创立之初就确定走开放、共享、安全的道路。全世界任何公司、研究机构与个人都可以自由地开发和销售兼容RISC-V指令集架构的处理器,并可灵活地修改以增加新的功能,无须支付指令集授权费用;还可通过RISC-V基金会参与指令集规范的演进,无须担心传统的指令集私有的方式所带来的不可控、不安全等弊端。此外,RISC-V拥有精简、低功耗、模块化、可扩展等技术优势,尤为适合物联网等嵌入式应用以及需要定制化的场景。 

01 拥抱RISC-V,这次上海走到了前列

我们都知道,集成电路是关系国家安全和国民经济命脉的战略性、基础性和先导性产业,而在集成电路的产业链中,处理器芯片(CPU)毫无疑问是一座必须攀越的高峰。CPU是信息产业的基础,而指令集架构(ISA)则是处理器芯片的基础。目前,在服务器和PC机领域的处理器芯片几乎全部被X86架构(美国Intel公司)统治,以智能手机和终端设备为代表的移动领域的处理器芯片(CPU)则几乎全部由ARM构架(日本ARM公司)垄断。

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RISC-V生态体系正在全球范围内快速崛起,成为半导体产业及物联网、边缘计算等新兴应用领域的重要创新焦点。国内外诸多企业包括高通、谷歌、英伟达、三星、西部数据等以及一些研究机构纷纷加入了RISC-V基金会,并围绕RISC-V指令集标准开发IP核、芯片、系统、软件等,一个新的生态和产业链正在蓬勃发展

据悉,美国国防高级研究计划局(DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency)已连续多年通过专项方式支持RISC-V指令集的研究和实用化,而印度则将RISC-V确立国家级指令集。这些都值得我们借鉴。

目前,上海是国内首家明确支持RISC-V的地区。今年7月份,上海市经济信息化委发布了《上海市经济信息化委关于开展2018年度第二批上海市软件和集成电路产业发展专项资金(集成电路和电子信息制造领域)项目申报工作的通知》,明确支持RISC-V相关设计和开发的企业。这对于RISC-V指令集在中国的发展起到了非常重要的推动作用,也让中国在这一领域从一开始就与国际最先进水平并行前进。

据悉,中国RISC-V产业联盟(以下简称联盟)由国内外RISC-V领域重点企业、研究机构、和行业协会发起成立,芯原控股公司担任联盟首任理事长单位,目前已有五十余家RISC-V领域相关企业以及十余家大学和研究机构加入。联盟将秉承开放、合作、平等、互利的原则,致力于解决中国RISC-V领域共同面对的关键问题,建立中国国产自主、可控、安全的RISC-V异构计算平台,促进形成贯穿IP 核、芯片、软件、系统、应用等环节的RISC-V 产业生态链。

联盟理事长、芯原控股董事长戴伟民博士指出RISC-V给中国产业带来的最大机遇是一个与全球一致的起跑线;联盟及专委会的成立就是要凝聚国内RISC-V的创新力量,促进RISC-V生态培育,提升中国在RISC-V标准制定中的影响力,推动中国抓住RISC-V这一难得的历史机遇,建立中国国产自主、可控、安全的异构运算平台,在新的技术变革中实现产业的全面跃升。

戴伟民同时也指出,虽然开源RISC-V出来后很震撼,但RISC-V不是要干掉ARM和X86,它们一定会长期共存下去。

02 RISC-V科普:前世与今生

去年我曾经写过一篇关于RISC-V处理器的文章--《性能比ARM高,但功耗比它低,关键还免费!?这款处理器牛!》,没想到,一年之后,RISC-V风生水起,可见大家对RISC-V采取了非常拥抱的态度。这里再把RISC-V处理器再做一个介绍。

自从中美贸易战以来,中国芯片产业核心技术受制于人的状况日益突出,因此,发展自主知识产权、掌握核心技术已经成为人们 对我国集成电路产业发展的共识。

RISC-V 是一种全新的、简单且开放免费的指令集架构,美国加州大学伯克利分校的 Krste Asanovic 教授、Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 等大牛开发了这种全新指令集架构,它可以被任何学术机构或商业组织自由使用,这个架构得到了计算机体系架构 领域泰斗 David Patterson 的大力支持。

目前在全球范围内,RISC-V也被很多国家定义成国家标准指令集,比如印度。在业界也引起了很多关注,比如三星明确表示会使用RISC-V用在相关的产品中。很多公司表示支持这一架构,其中包Google、西部数据、台湾晶心、联发科、杭州中天、华为等。

作为一种指令集架构,RISC-V架构奉行的大道至简的原则,所谓大道至简,就是在IC设计实际工作中,通过最简洁的设计实现安全可靠的芯片,RISC-V处理器有三个特点:模块化、极简、可扩展。首先它是一个模块化的指令集,配合一些扩展的指令集其不同的部分还能以模块化的方式组织在一起,从而试图通过一套统一的架构满足各种不同的应用。

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模块化的RISC-V架构能够使得用户能够灵活选择不同的模块组合,以满足不同的应用场景,可以说是“老少咸宜”。譬如针对于小面积低功耗嵌入式场景,用户可以选择RV32IC组合的指令集,仅使用Machine Mode(机器模式);而高性能应用操作系统场景则可以选择譬如RV32IMFDC的指令集,使用Machine Mode(机器模式)与User Mode(用户模式)两种模式。而他们共同的部分则可以相互兼容。

它第二个特点是极简,因为一些传统的X86和ARM架构的篇幅,传统商业架构非常繁多,并且彼此之间不兼容。而RISC-V是后发的架构,拥有技术上的后发优势,技术上非常精简。RISC-V架构最后一点是可扩展,传统的ARM指令集是不允许做扩展,但是RISC-V是方便做可扩展的。

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去年Krste Asanovic 教授在接受我采访时也曾指出通过一系列的指令集扩展,几乎可以用RISC-V构建适用于任何一个领域的微处理器,比如云计算、存储、并行计算、虚拟化/容器、MCU、应用处理器、DSP处理器等等。“RISC-V支持多核,而且扩展性很好,可以很方便地扩展到多核架构。”他强调,“使用RISC-V的理由有第一,RISC-V是免费开源架构,无须付费。第二,它的ISA比起其他ISA来说简单许多,因此验证起来也方便许多。第三,RISC-V很稳定,不用担心突然发生很大变化或者直接就消失。第四,RISC-V可以在各种设计中比起其他ISA更高效,面积、功耗和性能都更好。第五,RISC-V可以作为各种SoC核的基础ISA,第六,RISC-V具有很好的扩展性,可以随意按照需求扩展。”

RISC-V几乎可以堪称是一款几乎完美的免费开源CPU,为了 RISC-V 架构的顺利推广,2015 年成立了 RISC-V 基金会。负责维护标准的 RISC-V 指令集手册与架构文档,并推动 RISC-V 架构的 发展。目前,基金会包括 108 家会员单位,其中白金会员 18 家,普通 会员 90 家,并且会员数量在持续高速增长。中国多家大中型企业级科 研机构也加入了 RISC-V 基金会,如中兴、华为、杭州中天、中科院 计算所等,其中杭州中天微属于白金会员。

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戴伟民博士总结了RISC-V的三个层次,最底层是基准指令比较简单并且固化不变,只有40多条;而扩展指令同样可以通过社区共享慢慢固定,这样也可以避免出现碎片化现象。第三层的专用指令上,则可以充分突出差异化及保护知识产权等特性,他收这样的指令集既保持了一定的共性又有可扩展性,可谓发展本土CPU的不二选择。

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03 专家看RISC-V对中国内半导体的积极意义

在CPU领域已经摸爬滚打了十几年的君正CEO刘强指出:“我认为IP授权模式已经失败了,当年我们为什么采用了MIPS架构而不是ARM架构不是情怀是因为没有谈成,君正为什么转向RISC-V? 我认为RISC-V一定会成功,以后全球会出现三个指令集并存的局面,X86 、ARM在PC和手机领域,剩下的是RiSC-V机会了。”

他还强调“RISC-V可以释放民间CPU设计能力,民间很多高手,比如胡振波单枪匹马,我们君正的CTO也是半年时间写出了CPU,当时大家都缺乏开放架构,如果开源架构可以释放民间活力,那就会有新的生意模式,IP授权模式到底行不行的通?全世界能提供CPU内核的企业有很多家,究竟一个行业能够容纳多少家,大家可以去探索其中的机会。”

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国内领先的RISC-V处理器内核公司芯来科技CEO兼创始人、《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》作者胡振波表示:“对于RISC-V指令集,很多人曲解了,精确地说:RISC-V架构是一种Free的指令集架构,Free准确地说应该被翻译为“自由“而不是“免费”,指令集架构也不是一款具体的处理器内核。大多数人对处理器的一些基本的概念并不了解,譬如免费与自由的区别、指令集架构与微架构的区别、RISC-V与RISC的区别等,导致将RISC-V与“一款免费开源的处理器“划等号,而“免费”往往成为劣质的代名词。这些曲解,都严重影响了RISC-V在中国的正常传播和发展。RISC-V需要被正确地认识和理解,它对产业有更加深远的意义。”他表示。“RISC-V的意义首先是可以极大加强我国处理器IP话语权,根据IPNEST 2018年统计,目前处理器IP占有整个IP市场的一半以上,是AIOT的基础,但作为核心部件,我国的IP产业几乎零产出。”

此外,他认为RISC-V可以推动创新与差异化,由于RISC-V的开放、简洁、可扩展以及低成本,可以给终端市场带来巨大创新。还有RISC-V就是可以明显降低芯片研发成本,目前RISC-V的产业链日趋完善,从处理器内核到硬件设计、操作系统、开发工具、基准测试以及解决方案等,全产业链具备完整性,使得行业可以均摊一切成本。

对于业界担心的RISC-V开源引发的碎片化问题,他表示碎片化,应该加上准确形容词是什么碎片化,碎片化也可以理解为差异化,IOT本来就是碎片化,也正是差异化的存在,所以激发了海量市场的存在,所以物联网领域难有手机领域绝对霸主存在,而越来越系统公司通过芯片差异化构建自己的护城河,所以应用碎片化是好的碎片化,RISC-V本身留有可扩展,这本身就是碎片化,我们可以把共共有的做好,剩下的的碎片化也是差异化,

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晶心科技总经理林志明表示以安卓刚开始也面临着碎片化、群龙无首等诟病,随着谷歌给大家做了典范,让安卓彻底开放之后,在手机等智能终端领域得到了迅速发展。开放比封闭优秀,成功比开放更重要。

针对碎片化问题,他表示对于RISC-V可复用部分专用部分不要修改,而不可复用部分可以定制。

“发展RISC-V还有一个优势就是可避免专利问题,目前Arm和x86依然有很多专利,公司做很容易侵权,而RISC指令集专利1950年开始就有很多了,目前有100多项都已经过期。实际上现在RISC-V推出也是符合这一要求,太早做出来会到处碰壁,而现在则可避免。”戴伟民补充道。

04 不同声音:RISC-V是一场开源闹剧?

但也有本土IC设计公司老大提出了不同意见,他认为纵观CPU技术发展历史任何一款CPU的走热或者存在都是因为以大量应用为基础 ,对于RISC-V 目前至今还未看到有爆量的单一产品出现,另外,RISC-V虽然免费降低了IC开发者的难度,提升了最终系统开发者的难度,而一些商用CPU已经很好的开发基础和生态,例如X86只要简单的编程就可以开发应用,对此,RISC-V还没有形成自己的成熟的开发环境,如果单纯让应用端的开发人员去买单花时间去学习开发这不符合商业规律。

另外,他认为应用的碎片化不能代表参与者的碎片化,对于很多中小公司来说如果盲目跟进RISC-V则可能遭遇很大风险,他算了一笔账一款芯片从定义到应用走量至少5年时间,如果一个20人的团队要开发一款RISC-V应用则至少需要投入近一个亿的资金,“谁愿意一次性给你一个亿让你来烧?”他表示。

所以他认为RISC-V最终是一场开源闹剧,不看好其未来,大家认同吗?

戴伟民博士表示RISC-V已经获得了全球的广泛支持,在中国也构建了自己的生态系统,中国RISC-V产业联盟的成立就是推动RISC-V在国内的开发,整合资源弥补短板。中国RISC-V产业联盟的宗旨就是要汇聚优势资源,以市场机制为主体,辅以适 度统筹协作,提升中国在RISC-V标准和技术 开发中的参与度,加快完善国内RISC-V“IP 核—芯片—软件—整机—系统”产业生态体 系,同时促进中国产业界、学术界、投资界 对RISC-V产业发展支持。

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我注意到很多本土厂商都加入了中国RISC-V产业联盟,包括一些新兴人工智能企业例如我们熟悉的地平线(上海)人工智能科技有限公司就是产业单位理事单位。祝愿RISC-V给本土CPU带来更多差异化选择!

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