RISC-V如何與x86/Arm三分天下?

作者 : 邵樂峰,ESMC

RISC-V指令集架構目前在中國受到的關注度越來越高,湧現出一大批以RISC-V為處理器核心的創業公司,生態系統也呈現出一片欣欣向榮的景象…

Semico Research的最新市場市調報告預測,預計到2025年,採用RISC-V架構的晶片數量將達到624億顆,2018~2025年的年複合成長率(CAGR)高達146.2%,主要應用市場包括電腦、消費電子、通訊、交通和工業,其中物聯網(IoT)應用市場佔比最高,約為167億個核心。

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RISC-V核心的增長趨勢及主要應用市場。(資料來源:Semico Research)

開放原始碼硬體產業開始崛起

在主流指令集x86封閉、Arm授權費用昂貴的背景下,專攻物聯網等新興市場的開放原始碼RISC-V指令集,能否與x86、Arm生態形成錯位競爭?其代表的開放原始碼硬體產業生態,能否成為潛在的打破當前處理器壟斷局面的一股重要力量?變成了人們在2020年關注和討論的焦點。

核芯互聯(CORELINK)科技總經理兼技術長胡康橋分析,目前,RISC-V指令集的商業模式還是以IP核授權和定制化晶片為主,儘管有公司開始向通用微控制器(MCU)市場發力,但短期內的格局並不會有太大變化。另一方面,晶片產業目前想要在商業模式上進行創新已經比較困難了,最終比拼的還是各家產品在性能、功耗、面積、成本、易用性等方面的硬實力。而在業界最為關注的安全領域,中國自有合規將是大方向,除了引入類似ARM Trust Zone之類的技術之外,在加解密模組上也會更多的引入中國國密演算法。

他同時認為,在中國的特殊國情和世界當前的格局下,其實還有一條路非常值得關注,那就是走「安全可控」路線。在如今中國國產替代的浪潮中,以及「安可」聯盟的驅動下,通用處理器和專用處理器的研發得到了極大的推動和重視,各大指令集(ISA)的中國代表廠商紛紛推出自己的「安可」產品,例如採用x86的兆芯;採用Arm的飛騰、海思;採用阿爾法的申威;採用MIPS的龍芯,唯獨缺少能代表RISC-V指令集的CPU產品。誰要是能以第一款高性能RISC-V處理器入局「安可」聯盟,必定會在中國市場上掀起波瀾。

事實上,RISC-V架構可以應用於所有運算設備,5G通訊設備、伺服器、超級電腦等應用都可以採用,而且在技術和生態方面也不存在問題。尤其是在當前的智慧行動時代,AIoT是RISC-V一個很好的切入點,未來市場將會非常龐大,基於RISC-V的微處理器核心加上AI運算輔助處理器IP,會在AIoT各個細分領域覓得良機。

以智慧硬體產品為例,其對CPU應用生態和性能的依賴低於PC、手機等產品,但它對CPU的功耗、體積和成本有著極高的敏感度,部分RISC-V架構嵌入式CPU具備比同類Arm、x86架構CPU更低的功耗、更小的面積,以及更低的價格。

在北京兆易創新(GigaDevice)科技MCU事業部產品市場總監金光一看來,AIoT的發展需要四大要素:AI演算法、IoT安全、處理器和服務平台。其中處理器是智慧連網設備的硬體基礎,大多數IoT設備都需要使用低功耗且支援無線連接的嵌入式處理器晶片,而AI相關應用也需要嵌入式處理器進行邊緣運算,才能建構完整的AIoT應用。RISC-V的開放原始碼特性使得晶片設計具有自主獨立性,晶片設計規劃在架構上更加自由,開放的基礎平台也有利於降低門檻並推動產業升級。

不過胡康橋提醒,晶片架構本身並不是AIoT領域最具決定性的要素,IC廠家對客戶需求的把握能力、晶片定義能力、功耗控制能力和軟硬體演算法協同能力更為關鍵。比如在常見的電池供電型IoT晶片中,處理器核所佔的面積其實只有1/5~1/10,如何做好其他部分的設計也非常關鍵。

上海賽昉科技(SiFive)執行長徐滔特別談到了RISC-V在安全性領域取得的突破。2019年10月,SiFive發佈了針對SoC設計安全的全新架構——SiFive Shield,這是一個開放、可伸縮的系統級安全解決方案,它採用多域安全保護和動態可審核的信任根來確保SoC安全性,同時又能最大程度的保證相容性和可定制性,其體系結構規範是公開的,並在Github上開放原始碼了安全啟動程式碼和加密庫,對安全領域感興趣的RISC-V開發者可以直接下載使用。

根據各自公司的規劃,SiFive今年將重點聚焦超高性能標量處理器、AI向量處理器、特定域架構(Domain Specific Architecture,DSA)平台解決方案和針對上述三個領域的特定IP,目標是將解決方案提升到產品等級,讓合作夥伴的產品獲得更有競爭力和差異性的整體性能;核芯互聯將計畫結合自身的模擬優勢,推出一系列具有高性能類比IP的RISC-V產品,以及一款極具模擬特色的RISC-V MCU和一款特定產業定制化MCU,用以滿足下游客戶對專用處理器的需要。兆易創新則會在全球首個RISC-V架構32位元通用MCU產品系列基礎上持續完善RISC-V生態,包括提供多種IDE、中介軟體、開發套件等工具支持,與合作夥伴密切合作推出更多基於GD32 RISC-V核心MCU的解決方案,舉辦RISC-V主題的線下活動和線上教學視訊等。

開放原始碼架構≠商業成功

RISC-V具備精簡、開放原始碼、靈活、模組化、可配置、「沒有歷史包袱」這些優勢,但在關鍵的「生態系統」問題上,過去一兩年裡出現了不同的聲音:有人認為相比Arm、x86這類生態已經十分成熟的商業架構,RISC-V的生態系統仍顯脆弱;但也有人認為在RISC-V最擅長的AIoT領域,生態鏈比較短,搭建起來其實容易的多。

「生態的成熟並不是一蹴而就的,需要一個漫長的生態鏈培育過程。」徐滔認為RISC-V相對於其他老牌的處理器架構來說,從規範正式發佈至今儘管只有5~6年的歷史,但從近兩年的發展態勢來看,基於RISC-V架構的底層軟體技術、硬體開發板、上層軟體應用、作業系統和終端產品層出不窮,火熱程度絲毫不亞於AI,甚至當近期AI開始遇冷時,RISC-V技術依舊受到了投資人的追捧。

其中,軟體層面支援力度的繼續加大,被普遍視作RISC-V生態系統搭建過程中的重大利多消息,比如即時操作系統FreeRTOS/RT-Thread、Linux作業系統Fedora/Debian、編譯器IAR/卡姆派樂、除錯器Lauterbach/SEGGER等都開始全面相容並支持RISC-V,越來越多過去與其他處理器合作的軟體企業也紛紛加入到RISC-V生態之中。

然而需要正視的是,在手機、桌面、平板、工控等領域,RISC-V獲得的軟體支援力度仍然較為欠缺。儘管Linux是開放原始碼的先驅,在伺服器領域獨佔一方天地,但過去幾十年裡其在消費級市場所積累的生態系統依舊不如Windows,所以開放原始碼還是封閉,並不是改變競爭格局的關鍵性因素。只有商業上的成功,才是改變競爭格局的關鍵。

「晶片設計的歷史已經告訴我們,消費者所選擇的永遠不是技術最好的。」胡康橋列舉了當年的Alpha 21264,這樣一顆性能與當時Intel Pentium相比一騎絕塵的晶片,最終還是沒能逃脫倒閉的命運,原因就在於其在商業上敗給了Wintel聯盟。「這對RISC-V是一個很好的警示」,他說,新架構要想在任何領域跟其他指令集架構的處理器展開競爭,就一定要在某個領域取得商業上足夠的成功。當然,取得成功的辦法很多,RISC-V設計廠家可以「八仙過海,各顯神通」,但最短平快的做法應該還是緊盯定制化細分市場。

晶片定制化方興未艾

隨著應用領域的日趨細化,垂直領域的晶片定制化被認為是未來的趨勢,因為廠商能夠針對應用領域做最佳化的處理器架構並以此形成核心技術。

「但凡事都有兩面性」,金光一說,一方面,得益於RISC-V指令的開放性,設計人員可以基於某個RISC-V規範加入需要的擴展指令,這賦予了晶片高度的靈活性和可程式設計性。而RISC-V開放原始碼的特質,在成本方面也更具優勢,有利於降低準入門檻並加速垂直市場晶片的上市週期。但另一方面,各家廠商對RISC-V標準的擴展,應該呈現多元性而非碎片化的特徵,這樣才能促進軟硬體生態系統的繁榮。

徐滔表示,垂直領域SoC晶片設計包含幾個階段,首先要找到垂直的應用,確認應用場景的軟體(如SDK、協定堆疊、作業系統等)需求。除了通用的控制外,運算所需的核心演算法(如音視訊、電腦視覺、深度學習等)是產品的門檻與競爭優勢。在晶片設計上要採用合適的SoC架構來滿足軟體與演算法要求以達到最優效果,並落實到與具體應用領域相關的核心IP,如CPU、DSP、ISP等。

而RISC-V之所以能夠造就DSA革新,核心原因就在於它能夠在垂直領域形成的SoC平台範本上加速垂直領域的產品最佳化和創新能力,以及基於雲端的快速SoC定制化,特別是在智慧音視訊領域中,基於RISC-V的靈活性和可擴展性,無論是結合協力廠商還是自有演算法,都能夠創造出具備高能效比、低功耗、安全可靠特性的創新型SoC架構,這也是RISC-V的價值所在。

與上下游合作夥伴的配合也很重要,這一理念在SiFive所建立的Core Designer平台上已經得以實現。目前,使用者基於網頁介面可以完成兩件事:1.定制自己所需的CPU核心,以RTL的形式授權給客戶;2.基於CPU和硬體IP整合成適合特定垂直領域應用的子系統,這種硬體架構可以提供更好的運算能效甚至性價比,再授權給客戶使用。

但胡康橋認為DSA在技術上不能稱之為難點,甚至連創新點也談不上,只能算一個不錯的切入點。在這個領域,更考驗的還是廠家的商業化能力。所謂的領域專用處理器,首先得找到這樣的領域,需要有下游應用和方案廠家願意深度配合,閉門造車、不去實地調查客戶的需求,是永遠不可能在商業化上取得成功的。他因此建議準備在RISC-V領域大幹一番的人士們多去跟用戶交流,去深入地瞭解他們的實際需求,看他們最迫切需要解決什麼樣的問題:功耗、成本、面積、性能、即時性、還是安全性?

Arm在去年的Arm Techcon大會上宣佈針對Armv8-M架構推出Arm定制化指令(Custom Instructions),並將於2020年上半年開始首先在Cortex-M33處理核心上實施,也不會對新的或既有授權廠商收取額外費用。外界普遍對此解讀為Arm一是感受到了來自RISC-V的巨大競爭壓力,二是體會到了定制化指令帶來的好處。

「在指令定制上,現在Arm變成了追隨者,而RISC-V是引領者。」徐滔表示,垂直領域的晶片定制化業務是一種現在,以及未來的趨勢,在這種趨勢下能找到更多晶片創新的機會。每顆IP不但有針對垂直領域的定制化需求,還要能快速交付,只有定制化才能帶給用戶更大的價值,例如減少不必要的冗餘邏輯門數與降低功耗。

他說定制晶片既是優勢也是挑戰,這裡涉及兩個關鍵點:一是參數的適配性及RISC-V IP、協力廠商IP和EDA工具之間的互相配合;二是在於對應用的理解,理解的越深,定制也就越到位。RISC-V的特點就是適用於定制化,而不需要做架構的調整或者最佳化,因為指令定制在RISC-V是原生的,用戶只需要在RISC-V基礎核上進行參數的設置,再選擇適合的模組即可,而Arm則需要額外添加補丁來實現。

這種新的定制化指令功能,的確為晶片開發提供了更高的靈活性,但也需要演算法、程式碼庫、編譯器等配套工具的支援。而且晶片開發除了指令集架構之外,還需要同時關注晶片的介面外設、安全性、可靠性、成本等一系列問題,這對定制化來說也是客觀存在的挑戰。

「可以很保守的說,95%以上的客戶對於定制指令集是沒有需求的,對於定制指令集有需求的客戶,很可能更喜歡ASIC輔助處理器,因為能在功耗上做得更低。」胡康橋認為定制指令集很大程度上是為了在通用和專用之間找一個平衡點,而如何找到這個平衡點,將由市場決定,並考驗著一家公司對市場認知的深刻程度。

本文同步刊登於《國際電子商情》2020年4月號雜誌

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