RISC-V 指令集架構(gòu)最早是加州大學(xué)伯克利分校一個為了提升能源效率的項目，現(xiàn)在在整個行業(yè)中的發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。
RISC-V 基金會的會員名冊能讓我們一窺推動這一發(fā)展的背后力量，其中包括谷歌、英偉達(dá)、高通、Rambus、三星、恩智浦、美光、IBM、GlobalFoundries、UltraSoC 和西門子。
SiFive 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席架構(gòu)師及 RISC-V 基金會主席 Krste Asanovic 說：這項技術(shù)的一大關(guān)鍵市場是很多公司的存儲控制器。他描述說這是與內(nèi)存的集成，加上插在服務(wù)器后面的 PCIe 從屬設(shè)備，可以提供性能非常高的閃存存儲。
另一個活躍領(lǐng)域是人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)的向量擴(kuò)展。Asanovic 一直在 RISC-V 基金會領(lǐng)導(dǎo)這方面的工作，而且 SiFive 也正在開發(fā)支持 AI 機(jī)器學(xué)習(xí)的向量的內(nèi)核。
他說：“很多公司都對這個領(lǐng)域有興趣?，F(xiàn)在有很多用于 AI 核心部分的硬連線的（hard-wired）專用加速器，但硬連線模塊的問題在于這一領(lǐng)域內(nèi)的算法變化非常快。這是一個非?；钴S的領(lǐng)域。人們想要非常高效又可編程的東西，所以我們看到的用例類型既有硬連線的模塊，也有增加一些補(bǔ)充性的東西來處理硬連線模塊無法處理的部分的工作，還有試圖完全使用向量來做的。希望我們正在研發(fā)的先進(jìn)向量擴(kuò)展能夠非常接近專用功能單元，同時又能有適用于這一領(lǐng)域大量不同算法的靈活性。”
Asanovic 認(rèn)為 AI 機(jī)器學(xué)習(xí)是 RISC-V 的一個重要注入點，尤其是因為這一領(lǐng)域目前還沒有提供軟內(nèi)核（soft core）的公司?！拔覀兌x的向量擴(kuò)展比其它 ISA 更加先進(jìn)。這是導(dǎo)致人們進(jìn)入 RISC-V 領(lǐng)域的一個原因?！?/p>
圖 1：SiFive 的 HiFive1 開發(fā)套件，來自 SiFive
第三個活躍的領(lǐng)域涉及到 minion 內(nèi)核（即管理內(nèi)核）。他解釋說：“現(xiàn)在大多數(shù) SoC 都需要一個 64 位的地址空間，因為它們有非常大的帶有 DRAM 的內(nèi)存，而且客戶們也正在尋找能在大型 SoC 上‘干家務(wù)活’的嵌入式控制器。在大型 SoC 上通常有數(shù)十個這種內(nèi)核，但它們需要有一個 64 位的地址空間，而且需要緊湊?，F(xiàn)在這一領(lǐng)域確實還沒有任何東西，所以 64 位嵌入式空間是 SiFive 重點關(guān)注的地方之一。在這一領(lǐng)域，英偉達(dá)已經(jīng)公開宣布他們正在設(shè)計他們自己的內(nèi)核，但那是他們的用例，他們也正在為這些微控制器而轉(zhuǎn)向使用 RISC-V?！?/p>
Cadence 的 Digital & Signoff 組的產(chǎn)品管理總監(jiān) Dave Pursley 對 RISC-V 架構(gòu)的擴(kuò)散有相似的看法。他說：“這個領(lǐng)域各個地方都表現(xiàn)出了這種現(xiàn)象，到處都是，也就是整個市場。很多小型公司已經(jīng)在談?wù)?RISC-V 了，但一些大公司對此也有準(zhǔn)備。所以解決方案不止一種，而且它們都各有優(yōu)劣。”
ANSYS 公司半導(dǎo)體事業(yè)部首席軟件開發(fā)者 Allen Baker 說，RISC-V 規(guī)范的開放性促進(jìn)了大量開放式處理器設(shè)計的發(fā)展。這些處理器有很廣泛的應(yīng)用范圍，從適用于重型 Linux 服務(wù)器的 Berkeley Out-Of-Order Machine（BOOM）CPU 到具有 32 位 PicoRV32 的微型嵌入式微控制器。
Baker 說：一些實現(xiàn)已經(jīng)成功流片，并且工作狀態(tài)良好。從 EDA 開發(fā)者的角度看，開放式 RISC-V 設(shè)計為現(xiàn)代設(shè)計的構(gòu)建方式提供了很有價值的見解，并且可用作工具測試的靈活測試案例。我們已經(jīng)觀察到了一個趨勢：使用高級參數(shù)（比如內(nèi)核數(shù)量、緩存大?。﹣韺崿F(xiàn)對設(shè)計的輕松配置并使用定制 RTL 模塊來擴(kuò)展它們。這與由GNU 工具鏈生成的，幾乎能提供無窮無盡的活動向量的RISC-V 軟件結(jié)合起來，可以使設(shè)計分析和優(yōu)化更容易獲得，也更加的便宜。
實現(xiàn)的應(yīng)用也各有不同，Cadence 的 Pursley 說：“有些人只是想以一種簡單直接的方式使用指令集架構(gòu)，而且你可以使用來自很多來源的 IP 來做到這一點，其中包括開源。這些正在向前推進(jìn)的公司真的很喜歡它的可擴(kuò)展性和可定制性。你可以去除一些代碼，也可以加入一些代碼。在這方面進(jìn)行推進(jìn)的往往是一些小公司，它們正在尋找一種為機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用得到定制指令集的快速簡單方法。他們想做的基本上就是盡可能地剝離掉一切，與此同時又在激活函數(shù)等部分內(nèi)增加一些東西，或者也許會根據(jù)最終應(yīng)用加入加密函數(shù)、張量操作（數(shù)組和數(shù)據(jù)空間操作）等。這些都是他們希望加入的東西，取決于確切的應(yīng)用。這也是 RISC-V 架構(gòu)的一大優(yōu)勢。它允許你去掉和加入東西，同時仍然能使用已有的 RISC-V 工具鏈?！?/p>
Asanovic 指出在設(shè)計用于實現(xiàn) RISC-V 的工具上并沒有任何特定的需求?！坝幸淮髢?yōu)勢是我們可以用Chisel生成Verilog，并且我們知道Verilog有很多工具都可以應(yīng)用）我們沒有你必須理解這些 Verilog 的含義這種惱火問題（我們不用為生成Verilog難以理解而頭疼）。我們生成的 Verilog非常清楚簡明，可以與供應(yīng)商工具良好地協(xié)同工作，所以，比如說我們不依賴花哨的 Verilog 新功能在這些工具中是正確的（Chisel生成的Verilog非常清楚簡明，與EDA工具兼容性很好）。這是我們發(fā)現(xiàn)處理器生成器生成 Verilog 的一大好處。實際上，我們在后端和仿真流程中也都發(fā)現(xiàn)了這一點，客戶對生成非常簡明的Verilog的速度特別驚訝。它基本上可以像其它任何軟內(nèi)核一樣使用，這是很好的?！?/p>
創(chuàng)新許可
UltraSoC 公司 CEO Rupert Baines 說 RISC-V 有一個吸引人的地方：公司可以根據(jù)自己的特定需求優(yōu)化內(nèi)核設(shè)計?！皩嶋H上，每個想要架構(gòu)許可的人都有許可?！?/p>
盡管有一些商業(yè)內(nèi)核供應(yīng)商在關(guān)注低功耗，但也有一些 SoC 公司在為自己的特定應(yīng)用進(jìn)行非常緊密地優(yōu)化。比如說，Codasip 去年就演示了優(yōu)化指令可以顯著降低功耗，這是 SoC 公司降低功耗的非常明顯的途徑。
Tensilica 等一些公司一直在為 DSP 這么做。Baines 說，區(qū)別在于 RISC-V是一個基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 ISA 和生態(tài)系統(tǒng)，而不是專門定制的架構(gòu)設(shè)計。
EDA 供應(yīng)商和大型芯片公司已經(jīng)這么做了很多年：降低功耗的最好方法是在架構(gòu)層面。實際上，功耗需要在設(shè)計過程中預(yù)先考慮，這樣在調(diào)整設(shè)計時會更容易。
西門子旗下 Mentor 的設(shè)計驗證技術(shù)部市場總監(jiān) Neil Hand 說：“RISC-V 吸引人的地方在于設(shè)計者可以修改指令集，可以修改實現(xiàn)方式，可以和不同的供應(yīng)商合作。但在做這些事情時，設(shè)計者必須確保那是可行的。要確保這些東西真的有用，所以我們在 RISC-V 上的很大一部分關(guān)注重點都是檢驗和驗證?！?/p>
幾年以來，Mentor 和其它 EDA 提供商的團(tuán)隊都已經(jīng)與 RISC-V 供應(yīng)商建立了新的關(guān)系或增強(qiáng)了已有的關(guān)系。Hand 說：“當(dāng)你想要為一項 RISC-V 設(shè)計進(jìn)行低功耗優(yōu)化時，這實際上就是最大的那個難題；實際上任何設(shè)計都是這樣，甚至高性能優(yōu)化也是如此。你必須確保這些東西仍然有效，這可不容易?！?/p>
RISC-V 設(shè)計和驗證流程與其它流程（比如基于 ARM 的流程）可能會有怎樣的差異？這是個顯而易見的問題。其中最大的難題是知道需要檢查什么以及理解如何評估設(shè)計。Hand 說：“如果你需要一個 ARM 設(shè)計，你可以選一個現(xiàn)成的 ARM 設(shè)計，你可以肯定自己不必?fù)?dān)心黑箱中是怎樣的。如果你需要一個標(biāo)準(zhǔn)的 RISC-V IP，如果你選擇了一家優(yōu)良的 IP 供應(yīng)商，你也不必?fù)?dān)心黑箱中是怎樣的。RISC-V 的不同之處是你可以讓有許可證的 IP 供應(yīng)商修改黑箱中的內(nèi)容，從而增加或修改某些東西。然后你就確實必須了解黑箱中是怎樣的了。你必須驗證它，而且你有各種真正有趣的技術(shù)可以用。其中大多數(shù)都直接建立在已經(jīng)得到良好證明的驗證標(biāo)準(zhǔn)上，需要有專業(yè)知識并且需要知道這究竟是在做什么。任何有驗證難題的地方都存在機(jī)會，RISC-V 的有趣之處在于改變一種處理器設(shè)計存在大量風(fēng)險。然后問題就變成了：如何解決這個風(fēng)險？在低功耗方面，你可以修改一些東西，在你的設(shè)計中得到一個數(shù)量級乃至更多的性能提升，這是很有吸引力的?！?/p>
比如說，他記得 Microsemi 在 DAC 2017 上展示了其工程開發(fā)團(tuán)隊為一項 IoT 設(shè)計而對一款音頻處理器進(jìn)行了一些微小的修改?！斑@為它們帶來了 63 倍的性能提升，這實際上意味著他們可以用更老的工藝，實現(xiàn)更低功耗，從而獲得巨大的功耗優(yōu)勢。一旦他們這么做了，就必須驗證其指令集是否還是一樣，結(jié)果是否有效，能否在軟件上運行。
圖 2：Microsemi 的帶有 RISC-V 內(nèi)核的 IGLOO2 FPGA 架構(gòu)，來自 Microsemi
盡管如此，Hand 還是堅稱這個架構(gòu)還處于比較早期的階段?！拔覀冊?RISC-V 的驗證上已經(jīng)完成的所有工作要么是通過 IP 合作伙伴完成的，要么就是直接通過標(biāo)準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境完成的。但真正吸引人的是：我們可以怎么實現(xiàn)一站式方案？當(dāng) Mentor 像西門子一樣加入 RISC-V 基金會時，其很大一部分工作是理解我們怎么向這個生態(tài)系統(tǒng)增添價值。我們希望達(dá)到這樣一個目標(biāo)：一旦合規(guī)性得到了良好的定義，我們就可以開始提供現(xiàn)成的驗證環(huán)境。只要你能做到這一點，只要你能去除定制這些內(nèi)核的風(fēng)險——你要通過驗證來去除這些風(fēng)險，那你就會看到更多采用這項技術(shù)的設(shè)計。”
想要真正實現(xiàn)這些預(yù)期設(shè)計的創(chuàng)業(yè)公司需要解決這些挑戰(zhàn)。
Hand 說：“我從實現(xiàn)和驗證兩個方面都談了這個問題。這正在催生一種新型的創(chuàng)業(yè)公司，而且這讓公司能做一些相當(dāng)創(chuàng)新的事情。你可以使用開源內(nèi)核碼或低成本的提供商來開發(fā)一款 IoT 設(shè)備?，F(xiàn)在，如果有人需要找一家 EDA 供應(yīng)商，而我們說：‘那沒什么問題?，F(xiàn)在你需要向我們支付 300 萬美元軟件費?！麄儠f：‘這太貴了?！渲幸恍〔糠仲M用是為工具的license支付的，因而我們可以嘗試將一種新的產(chǎn)品推向市場，這種產(chǎn)品具備授權(quán)成本很低的特點，不需要支付昂貴的license費用，能夠修改內(nèi)核意味著現(xiàn)在你可以做一些真正酷的東西，即使使用的是傳統(tǒng)的節(jié)點，這顯然比使用前沿節(jié)點便宜許多。它的風(fēng)險更低而且現(xiàn)在你也可以看到我們 EDA 公司也開始同樣創(chuàng)新——我們讓人們獲取他們需要的工具，從而真正將這些產(chǎn)品推向市場。”
結(jié)論
盡管從當(dāng)前市場中已有的情況看 RISC-V應(yīng)用場景比較單一，但這個架構(gòu)也在開辟一些新的市場選擇，這些選擇要么仍舊不成熟，要么才剛剛開始得到關(guān)注。這種設(shè)計的靈活性能增加這些領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。但也可能增加不確定性和新的難題，因為這種架構(gòu)的不同實現(xiàn)之間可能差異很大，為一個版本開發(fā)的 IP 在另一個版本上可能效果就會不一樣。
盡管如此，RISC-V 已經(jīng)站穩(wěn)了足夠的根基，現(xiàn)在有知名的公司在支持它成為系統(tǒng)內(nèi)部的又一選擇。盡管取代其它公司或處理器設(shè)計看起來還不太可能，但看起來它本身有很強(qiáng)的發(fā)展勢頭和增長空間，可以與其它供應(yīng)商的處理器內(nèi)核一同發(fā)展。但要真正發(fā)揮它的潛力，可能還需要在設(shè)計工具上實現(xiàn)新型的授權(quán)模式。