在全球處理器領(lǐng)域，以X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)為主流的指令集架構(gòu)占據(jù)了絕對優(yōu)勢。架構(gòu)授權(quán)成為我國處理器廠商發(fā)展無法越過的屏障以及發(fā)展保持持續(xù)性的潛在不利因素。以RISC-V（第五代精簡指令處理器）為代表的開源指令集架構(gòu)的出現(xiàn)，被業(yè)內(nèi)視為最有可能打破目前處理器生態(tài)格局的途徑。近年來，RISC-V在世界范圍內(nèi)逐漸步入發(fā)展熱潮。2018年以來，RISC-V在我國也受到越來越多的重視，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和中國開放指令生態(tài)系統(tǒng)（RISC-V）聯(lián)盟相繼成立。如何利用RISC-V的開源特性與新興技術(shù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)SoC的國產(chǎn)化發(fā)展，成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)共同關(guān)注的話題。
2019年7月11日下午，由《電子技術(shù)應(yīng)用》雜志社、中電會展與信息傳播有限公司、EETOP（易特創(chuàng)芯）聯(lián)合承辦的“基于RISC-V的SoC國產(chǎn)化發(fā)展路徑”研討會在成都世紀(jì)城新國際會展中心召開。電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授黃樂天、芯來科技創(chuàng)始人& CEO胡振波、知存科技創(chuàng)始人王紹迪從基于RISC-V指令集擴(kuò)展的專用SoC設(shè)計(jì)、國產(chǎn)化RISC-V處理器核及配套工具鏈、RISC-V在AI-SoC芯片中的應(yīng)用等多方位多角度，闡述了我國利用開源開放的RISC-V構(gòu)建中國自主可控芯的不斷探索。
《電子技術(shù)應(yīng)用》楊暉（左一）、知存科技王紹迪（左二）、電子科大黃樂天（右二）、芯來科技胡振波（右一）合影
基于RISC-V的SoC國產(chǎn)化發(fā)展路徑直播視頻
黃樂天：基于RISC-V擴(kuò)展指令集的專用SoC設(shè)計(jì)
電子科技大學(xué)副教授黃樂天博士就職于電子科學(xué)與工程學(xué)院，長期以來從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)與系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)交叉方向的研究，包括片上多核處理器與片上網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)與芯片、領(lǐng)域?qū)Ｓ锰幚砥髋c可重構(gòu)計(jì)算等。
電子科技大學(xué)副教授黃樂天博士
傳統(tǒng)SoC的設(shè)計(jì)方向是以軟制硬，而目前的SoC必須靠硬件對軟件進(jìn)行加速，這種加速方式主要有下圖所示三種。
專用SoC中加速器的三種耦合方式
RISC-V除常規(guī)指令之外，還有定制指令，并為其預(yù)留了編碼格式，利用預(yù)留編碼格式，設(shè)計(jì)人員可以為他們想要加速的應(yīng)用程序添加所需的任何指令。 這是一個強(qiáng)大的功能，因?yàn)樗粫茐娜魏诬浖嫒菪?，同時為發(fā)明和差異化留出空間。
黃博士的團(tuán)隊(duì)基于RISC-V架構(gòu)設(shè)計(jì)了基于自定義擴(kuò)展指令的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的實(shí)現(xiàn)方式
加速器中，5個加速模塊共用RoCC接口，需要對輸入向信號做一到多仲裁，輸出向信號做多到一仲裁。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器總體硬件設(shè)計(jì)
經(jīng)驗(yàn)證，該加速器的每個模塊都能有效地加速相應(yīng)的計(jì)算，且向量長度越長，加速效果越明顯。
上述設(shè)計(jì)案例證明，RISC-V的指令集格式非常適宜于通過指令擴(kuò)展設(shè)計(jì)專用加速器，Rocket Chip定義的RoCC給定了較為完備的指令擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)方法。但問題也很明顯，即目前國產(chǎn)化的RISC-V處理器大多把其當(dāng)成ARM的替代品，對于指令擴(kuò)展和專用SoC設(shè)計(jì)的支持不足。未來，在人工智能/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，需要繼續(xù)探索指令擴(kuò)展加速器與專用SoC設(shè)計(jì)方法；同時通過對各種形式加速器的研究逐步形成設(shè)計(jì)方法學(xué)，從而更加廣泛的指導(dǎo)專用SoC設(shè)計(jì)；在前兩者研究的基礎(chǔ)上提出領(lǐng)域?qū)Ｓ茫―omain Specific）SoC架構(gòu)、設(shè)計(jì)自動化工具和流程，形成可以支持“敏捷開發(fā)”的設(shè)計(jì)自動化工具集。
芯來科技：本土RISC-V的先行者和布道者 賦能國內(nèi)AIoT產(chǎn)業(yè)變革
芯來科技成立于2018年，是中國大陸知名的專業(yè)RISC-V處理器內(nèi)核IP和解決方案公司，同時還是中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）副理事長單位，以及中國開放指令集生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟（CRVA）會員單位，致力于與上下游合作伙伴共同構(gòu)建RISC-V的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。芯來科技創(chuàng)始人& CEO胡振波出版了國內(nèi)第一本和第二本RISC-V中文書籍，堪稱中國本土RISC-V的先行者和布道者。
芯來科技創(chuàng)始人& CEO胡振波
芯來科技推出的N200系列RISC-V處理器內(nèi)核IP，專為超低功耗與嵌入式場景而設(shè)計(jì)，達(dá)到業(yè)界一流的指標(biāo)，非常適合替代傳統(tǒng)的8051與ARM Cortex-M系列內(nèi)核。該內(nèi)核IP系列已經(jīng)過量產(chǎn)驗(yàn)證，目前已經(jīng)全面推向市場。
芯來產(chǎn)品路線圖
其中，N201內(nèi)核是一款入門級商用RISC-V處理器內(nèi)核，可廣泛應(yīng)用于對面積、成本和功耗敏感的IoT領(lǐng)域芯片的微控制部分。N201內(nèi)核支持RISC-V RV32IC/EC指令集架構(gòu)、支持機(jī)器模式（Machine Mode），可完美替代ARM Cortex-M0或傳統(tǒng)8051八位內(nèi)核。
N201內(nèi)核
同時，芯來科技還推出一項(xiàng)RISC-V處理器內(nèi)核IP普惠計(jì)劃——“一分錢計(jì)劃”，用戶只需三步便可以加入到芯來“一分錢計(jì)劃”，就可幾乎免費(fèi)地獲取與使用N201內(nèi)核。
芯來科技“一分錢計(jì)劃”
除了標(biāo)準(zhǔn)的處理器內(nèi)核IP，芯來科技還提供RISC-V專用處理器、軟件工具鏈、SoC子系統(tǒng)的定制服務(wù)和解決方案，從而賦能客戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化與高效的性價比。
知存科技：RISC-V在AI SoC芯片中的應(yīng)用
知存科技CEO王紹迪
隨著深度學(xué)習(xí)的進(jìn)一步發(fā)展和AI芯片算力的提升，邊緣人工智能芯片將迎來更大的爆發(fā)點(diǎn)。安防、自動駕駛、智慧城市、智慧家庭等應(yīng)用場景都將逐步走向落地。據(jù)有關(guān)預(yù)測，未來2-5年，邊緣人工智能芯片市場需求將增長至3000億人民幣。而AI芯片作為AI的載體，被大家寄予厚望，尤其是高算力、低成本、低功耗的AI芯片。
邊緣市場增長迅速 ($20~30B in 2025)
得益于免費(fèi)、開源、可模組化特色，基于RISC-V打造低功耗AI芯片成為一個新的解決思路。RISC-V在AI中的優(yōu)勢非常明顯：（1）性價比高，可顯著降低邊緣AI芯片的成本；指令集精簡，邏輯硬件少，芯片面積??；可按需自由組合的模塊化指令集，針對專用芯片降低芯片面積；無向前兼容負(fù)擔(dān)，芯片面積小；（2）高效，精簡指令集，硬件簡單、功耗低，工作頻率高；（3）靈活，可自定義指令，適用于專用場景，從而提高效率；（4）良好的生態(tài)發(fā)展，目前已經(jīng)有200多家公司和組織成員參與維護(hù)和更新指令集，支持Linux、RTOS、RT-Thread等，且工具鏈愈加完善，未來隨著越來越多玩家的加入，還將涌現(xiàn)越來越好的軟件。
目前，RISC-V在AI中的商業(yè)化也取得了多項(xiàng)進(jìn)展，在美國，NVIDIA早早就加入了RISC-V基金會，并做了不少研究，近日還公開了在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)中應(yīng)用RISC-V指令集的可能。Mythic也與其他十幾家企業(yè)和組織共同成立了OpenHW組織，特斯拉也加入RISC-V基金會，并考慮在新款芯片中使用免費(fèi)的RISC-V設(shè)計(jì)。在國內(nèi)，比特大陸在Sophon Edge人工智能芯片中就采用了RISC-V架構(gòu)，嘉楠耘智也在去年年底發(fā)布了全球第一款基于RISC-V的邊緣計(jì)算商用芯片。
在很多AI推理運(yùn)算中，90%以上的運(yùn)算資源都消耗在數(shù)據(jù)搬運(yùn)的過程。芯片內(nèi)部到外部的帶寬以及片上緩存空間限制了運(yùn)算的效率?，F(xiàn)在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界很多人認(rèn)為存算一體化是未來的趨勢。
AI運(yùn)算的瓶頸
存算一體化分為幾種：DRAM和SSD中植入計(jì)算芯片或者邏輯計(jì)算單元，可以被叫做存內(nèi)處理或者近數(shù)據(jù)計(jì)算，這種方式非常適合云端的大數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等應(yīng)用;另一種就是存儲和計(jì)算完全結(jié)合在一起，使用存儲的器件單元直接完成計(jì)算，比較適合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理類應(yīng)用。
存算一體
知存科技是后者，即將存儲和計(jì)算結(jié)合到閃存單元中的存算一體。知存科技使用單一浮柵存儲陣列完成深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的存儲和計(jì)算功能，運(yùn)算過程中無需緩存、內(nèi)存和邏輯運(yùn)算加速器，在存儲單元器件中直接完成計(jì)算，從而徹底解決人工智能運(yùn)算中的存儲墻和算力問題。
知存科技的存算一體
目前知存科技基于自主研發(fā)的存算一體架構(gòu)和存儲陣列的嵌入式智能語音芯片已經(jīng)完成流片，支持DNN、LSTM等多種常用網(wǎng)絡(luò)，支持可變運(yùn)算和參數(shù)精度，預(yù)計(jì)2019年年末進(jìn)入量產(chǎn)。
研討會現(xiàn)場討論熱烈，演講嘉賓和與會聽眾就基于RISC-V的國產(chǎn)SoC的發(fā)展展開深入探討。大家一致認(rèn)為，國產(chǎn)SoC想要擺脫X86、ARM架構(gòu)的限制，實(shí)現(xiàn)真正的崛起，RISC-V將是一個最大的機(jī)遇，它給了我們和全球一致的起跑線，錯過RISC-V 我們可能又將錯過一個時代！欣慰的是，國內(nèi)RISC-V生態(tài)體系正在逐步建立起來，也涌現(xiàn)了一批代表性企業(yè)真正投入到基于RISC-V指令集的處理器內(nèi)核及相應(yīng)開發(fā)環(huán)境等工作中?？梢灶A(yù)見，未來幾年，RISC-V將助力國產(chǎn)SoC迎來最佳發(fā)展期。