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2022年，對(duì)于略顯年輕的RISC-V行業(yè)來說，這是比較特殊的一年。
作為開源、精簡(jiǎn)的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，它誕生于上個(gè)世紀(jì)，本世紀(jì)初發(fā)展到第五代，卻已經(jīng)隱隱有和PC領(lǐng)域的x86、移動(dòng)端的ARM三足鼎立的趨勢(shì)。
過去，RISC-V的發(fā)展中，低端、MCU、IoT都是它在市場(chǎng)上的關(guān)鍵詞。作為它最早的參與者和支持者，我一直認(rèn)為這其實(shí)對(duì)RISC-V的認(rèn)識(shí)是不完整的。它的潛力非常大，有機(jī)會(huì)給很多有特殊需求的領(lǐng)域提供芯片、生態(tài)擴(kuò)展到覆蓋各個(gè)性能場(chǎng)景，過去一年的一系列消息也恰恰是它走向高端化的有力證明——
2022 年1月，英特爾表態(tài)投入10億美金打造RISC-V創(chuàng)新基金，表態(tài)支持RISC-V發(fā)展；9月，SiFive成為NASA即將推出的高性能航天計(jì)算 (HPSC) 處理器提供核心 CPU的供應(yīng)商，用RISC-V架構(gòu)的芯片搭建要求極高的航空領(lǐng)域的高性能處理器。
時(shí)值2023年初，我在此拋磚引玉，和大家聊一聊過去一年以來RISC-V的幾個(gè)重點(diǎn)和未來走向。
在高性能市場(chǎng)嶄露頭角
從前面聊的消息可以看到，RISC-V的應(yīng)用場(chǎng)景、和重要程度都在加深，這也印證了我認(rèn)為的RISC-V的一個(gè)最終發(fā)展趨勢(shì)：高端化。
這是由于RISC-V最基礎(chǔ)的特點(diǎn)：開源、精簡(jiǎn)、模塊化。開源，意味著它不受任何單一公司控制，有著巨大可能性與未來潛力；精簡(jiǎn)，意味著它的可擴(kuò)展性很強(qiáng)，沒有很多歷史包袱；模塊化的特性，則讓它能夠很好地解決目前隨著智能化的精度增加，更特殊的一些計(jì)算需求。
也正是因?yàn)檫@些原因，它的特性其實(shí)非常契合未來我們?cè)诜?wù)器、數(shù)據(jù)中心等高端場(chǎng)景的芯片需求。
再比如文章開頭我提到的SiFive和NASA的合作—— 2022年9月消息，NASA選擇了美國(guó)的RISC-V廠商SiFive為他們即將推出的高性能航天計(jì)算 (HPSC) 處理器提供核心CPU。從行星探索到月球和火星表面任務(wù)，預(yù)計(jì)HPSC將用于幾乎所有即將進(jìn)行的太空任務(wù)。
除了一個(gè)8核SiFive IntelligenceTM X280 RISC-V矢量核外，HPSC還將使用四個(gè)SiFive RISC-V核，以提供當(dāng)前太空計(jì)算機(jī)100倍的計(jì)算能力。許多太空任務(wù)組成部分，包括自主漫游車、視覺處理、太空飛行、制導(dǎo)系統(tǒng)、通信和其他應(yīng)用程序，都將受益于計(jì)算機(jī)性能的顯著提高。
這是要上太空的，最核心的部件，也用上了RISC-V，就是對(duì)RISC-V真實(shí)地位的一個(gè)有力證明：它有能力支撐需求極高的高端場(chǎng)景算力需求。
在剛剛過去的RISC-V峰會(huì)上，Ventana也宣布推出了Veyron系列高性能RISC-V處理器。Veyron V1是該系列的第一個(gè)成員，采用高性能Chiplet和IP的形式提供。這些高性能產(chǎn)品的推出都展現(xiàn)了目前RISC-V行業(yè)走向高端的趨勢(shì)。
從另一個(gè)角度來說，在這些高端場(chǎng)景應(yīng)用里面，往往需要進(jìn)行定制化，假如追求新的技術(shù)突破或一些創(chuàng)新的時(shí)候，RISC-V獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)天然就會(huì)吸引到企業(yè)來選用。而它開源的特點(diǎn)又讓研發(fā)沒有太多負(fù)擔(dān)，商業(yè)化路徑明晰。再想想近期Arm與Qualcomm的訴訟，在授權(quán)費(fèi)用上有著很多爭(zhēng)端，不難明白為什么RISC-V在商業(yè)化方面有著越來越強(qiáng)的吸引力。
可以想象，除了車載芯片，服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域我們都會(huì)逐漸目睹RISC-V芯片從進(jìn)場(chǎng)負(fù)責(zé)邊緣應(yīng)用、到成為核心處理器的一個(gè)過程。
去年這些實(shí)際落地的應(yīng)用已經(jīng)可以證明，在性能需求很高、要求很專業(yè)的領(lǐng)域，RISC-V能做得好，未來也會(huì)越來越好。
大公司入局，創(chuàng)新始終是最強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力
除RISC-V高端化，今年大公司的動(dòng)向也釋放出了一些值得關(guān)注的市場(chǎng)信號(hào)——為了保證不錯(cuò)過RISC-V這一浪潮，他們或直接切入，或提前布局。
2022年剛開年時(shí)，Intel就丟了一個(gè)重磅消息：將投入10億美金打造創(chuàng)新基金，提供資金、晶圓廠服務(wù)和重要技術(shù)，其中大部分都將用于協(xié)助RISC-V創(chuàng)新企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展。作為半導(dǎo)體領(lǐng)域長(zhǎng)期霸主之一，Intel擁抱RISC-V可謂意味深遠(yuǎn)：首先，從其公司戰(zhàn)略上，可能代表著扶持RISC-V與Arm競(jìng)爭(zhēng)，并借開源的RISC-V打磨自己的晶圓廠；其次，Intel這樣的行業(yè)巨頭積極表態(tài)并參與其中后，RISC-V的生態(tài)發(fā)展，將得到一股強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力。
在這次真金白銀的投入之前，Intel已經(jīng)多次表達(dá)過對(duì)RISC-V的興趣。比如領(lǐng)投RISC-V IP開發(fā)商SiFive的C輪融資，并在去年出價(jià)20億美元提出收購(gòu)案。雖然收購(gòu)并未落地，然而Intel在積極擁抱RISC-V，已經(jīng)是顯而易見的事情。
而這次Intel宣布的10億美金基金并加入RISC-V國(guó)際基金會(huì)，更是意味著Intel對(duì)于扶持RISC-V在微架構(gòu)領(lǐng)域與Arm競(jìng)爭(zhēng)、以及將RISC-V架構(gòu)芯片納入IDM2.0版圖的長(zhǎng)遠(yuǎn)愿景。
這對(duì)于整體RISC-V生態(tài)是一個(gè)好消息——Intel作為行業(yè)非常資深的企業(yè)，能作為一個(gè)重要推手，加速RISC-V生態(tài)成形。
尤其是Intel這次發(fā)布的新消息，在各個(gè)層面上提供針對(duì)RISC-V企業(yè)早期需求的幫助，包括10億美金的資金，授權(quán)差異化RISC-V IP以加速創(chuàng)新，提供對(duì)基于 RISC-V 的開放式IntelChiplet block的訪問，探索RISC-V相關(guān)的創(chuàng)新芯片架構(gòu)和先進(jìn)封裝技術(shù)。
這也是因?yàn)椋琁ntel看好未來RISC-V落地很廣闊——并非局限在IoT領(lǐng)域，而有很多高端場(chǎng)景。RISC-V的這些潛力，意味著它可以和Arm競(jìng)爭(zhēng)，并最終形成X86、Arm、RISC-V三足鼎立的格局。
另一方面，借助開放開源的RISC-V，Intel也可以進(jìn)一步打磨自己的晶圓廠，更快地迭代晶圓廠、半導(dǎo)體工藝，維持自己主要業(yè)務(wù)模式上處理器霸主的地位。
從歷史角度看，可以回望當(dāng)年微軟崛起，IBM對(duì)Linux一路扶持的往事，其中邏輯是類似的。這樣的戰(zhàn)略投入成就了開源的Linux在操作系統(tǒng)中的地位；而RISC-V作為最新一代開源指令集，前景可期。
可以說，這是Intel一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的布局，不是僅僅跟一兩家公司競(jìng)爭(zhēng)，而是看到了RISC-V未來巨大的的潛力。
除了Intel以外，市面上很多企業(yè)或多或少都做出了對(duì)RISC-V的投入、或表示關(guān)注。
2022年年初的CES上，Mobileye（已被Intel收購(gòu)）發(fā)布12核RISC-V自動(dòng)駕駛芯片EyeQ Ultra，CPU內(nèi)核全部用的是RISC-V。從產(chǎn)品角度來看，他們?nèi)プ鲞@個(gè)選擇，正是因?yàn)镽ISC-V的特點(diǎn)，在這個(gè)例子中就是可定制化的特性以及商業(yè)上的靈活性，所以它選擇了RISC-V。
還有Apple之前開始招募RISC-V相關(guān)工程師等消息。
如果說高端場(chǎng)景的應(yīng)用驗(yàn)證了RISC-V架構(gòu)的能力，那這些企業(yè)的關(guān)注很大程度上都是來自RISC-V在商業(yè)上的潛力。
這是因?yàn)樽畛醯脑O(shè)計(jì)就意味著它沒有授權(quán)的桎梏，更靈活，這些定制化的解決方案迭代周期也更快，可以說，RISC-V本身就是非常鼓勵(lì)創(chuàng)新的架構(gòu)。
這和兩個(gè)市場(chǎng)的需求是非常匹配的：充滿活力的中國(guó)市場(chǎng)，和變動(dòng)不斷、受成本影響較大的創(chuàng)業(yè)市場(chǎng)。在此之前，中國(guó)市場(chǎng)在IoT領(lǐng)域的RISC-V處理器出貨量就占全球的50%以上，而隨著RISC-V處理器走向高端，我相信中國(guó)市場(chǎng)也會(huì)是其中很重要的參與者和探索者。
RISC-V內(nèi)核開始出現(xiàn)在異構(gòu)SoC和封裝中，從一次性的獨(dú)立設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向主流應(yīng)用，被用于從加速器和額外的處理內(nèi)核到安全應(yīng)用等各種領(lǐng)域。
這些變化雖細(xì)微，但意義重大。這代表著越來越多的人接受基于開源指令集架構(gòu)的芯片或小芯片（chiplet）可以與Arm、Synopsys（ARC）和Cadence（Tensilica Xtensa）等公司的內(nèi)核相結(jié)合，從而創(chuàng)建一個(gè)相對(duì)便宜而靈活的定制選項(xiàng)。雖然RISC-V尚未在獨(dú)立應(yīng)用領(lǐng)域取得進(jìn)展，但Ventana Micro Systems等公司正在測(cè)試基于RISC-V的高性能計(jì)算芯片在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。
RISC-V不太可能很快取代現(xiàn)有的芯片架構(gòu)，但隨著它從單片、單一供應(yīng)商的SoC轉(zhuǎn)向異構(gòu)、多芯片的高級(jí)封裝，肯定會(huì)引起硬件設(shè)計(jì)界的極大關(guān)注。根據(jù)Semico Research最近的一份報(bào)告，到2027年，RISC-V IP預(yù)計(jì)將以34.9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，而半導(dǎo)體IP的整體增長(zhǎng)率為9%。
根據(jù)RISC-V International的數(shù)據(jù)，目前有70個(gè)國(guó)家的3180多家RISC-V成員，包括94家芯片公司和4家系統(tǒng)公司。隨著政府機(jī)構(gòu)削減開發(fā)成本和時(shí)間的壓力越來越大，這顯然是一個(gè)值得關(guān)注的市場(chǎng)。
Renesas的EVP Sailesh Chittipeddi表示：“這看起來很像ASIC模式。但不再是CPU為每個(gè)工作負(fù)載執(zhí)行功能。相反，所有這些公司都在更加垂直化地推動(dòng)他們所需的解決方案，無論是AI還是系統(tǒng)層面的其它東西。這就是為什么我們看到越來越多的CAD公司開始進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)支持和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在你可以更深入地了解每個(gè)領(lǐng)域。更廣泛地說，我們發(fā)現(xiàn)該行業(yè)正在發(fā)生系統(tǒng)性變化，并開始提供解決方案?！?/p>
RISC-V正在成為這些異構(gòu)解決方案中不可或缺的組件，它受到關(guān)注主要有兩個(gè)原因。首先，開源ISA允許對(duì)其進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的定制，盡管對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，它仍然需要使用商業(yè)EDA工具進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。其次，一旦設(shè)計(jì)完成，就不需要支付版稅，因此對(duì)于擁有經(jīng)驗(yàn)豐富的處理器工程師的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說，RISC-V內(nèi)核可以用于創(chuàng)建客戶或特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)，而無需版稅。
簡(jiǎn)單地說，雖然有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ISA，但有許多可能的實(shí)現(xiàn)。RISC-V Faoundation的CEO Calista Redmond表示：“這與以太網(wǎng)類似。有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但并不是只有一個(gè)供應(yīng)商。不同之處在于RISC-V采用了模塊化方法。它有47個(gè)基本指令集，你可以為不同的工作負(fù)載添加所需的任何擴(kuò)展。還有一個(gè)廣泛的路線圖，包括81個(gè)不同工作組的不同部分，將得到批準(zhǔn)和驗(yàn)證，以滿足安全性和安全標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>
不過，重點(diǎn)是有經(jīng)驗(yàn)的工程技能。例如，與Arm核不同，集成RISC-V并不簡(jiǎn)單。任何RISC-V實(shí)現(xiàn)都需要在用例、終端應(yīng)用、物理上接近的其他組件以及這些組件如何影響其他組件的背景下進(jìn)行充分的描述?；ヂ?lián)以及互聯(lián)對(duì)其他組件的潛在影響，需要在所有已知或預(yù)期的條件下充分理解和描述。
Synopsys的研究員Rob Aitken說：“在任何時(shí)候，你都要為正在研究的芯片盡可能地解決這個(gè)問題。下一次，你會(huì)有新的CPU，有更新的帶寬，也許在大家都開始采用UCIe的情況下。但你仍然必須回到整體芯片或系統(tǒng)架構(gòu)，并確定你想要完成的任務(wù)是什么。你有某種計(jì)算系統(tǒng)，某種內(nèi)存，以及不同類型的GPU或加速器。還有一個(gè)問題是，如何讓PPT中的所有這些彩色框彼此通信，因?yàn)樵谀硞€(gè)時(shí)候，當(dāng)你真正將它們連接在一起時(shí)，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)巨大的瓶頸，你必須找出解決辦法?！?/p>
異構(gòu)設(shè)計(jì)
異構(gòu)設(shè)計(jì)有很多挑戰(zhàn)，因?yàn)椴⒎撬蠸oC中的模塊或高級(jí)封裝中的芯片/小芯片都是由同一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。在許多情況下，它們甚至不是在同一個(gè)國(guó)家開發(fā)的。從集成的角度來看，組件越多越復(fù)雜。
Imperas Software的CEO Simon Davidmann表示：“RISC-V帶來了創(chuàng)新的自由。我們的客戶為了節(jié)省芯片在網(wǎng)絡(luò)上花費(fèi)了大量時(shí)間。他們必須驗(yàn)證所有這些，不僅從功能的角度，還有性能的角度。我們都在同一個(gè)核上，但不同的是互聯(lián)和通信的方式。RISC-V使你能夠購(gòu)買一個(gè)核，配置它，放下一千個(gè)或一百個(gè)核，添加矢量引擎，然后用你擁有的網(wǎng)絡(luò)和上面的軟件來區(qū)分自己?！?/p>
其他人也同意。Renesas的Chittipeddi說：“在MCU領(lǐng)域，所有這些公司都在做專有課程，提供給客戶軟硬件完整的解決方案。后來出現(xiàn)了Arm，他創(chuàng)造了一個(gè)環(huán)境，我們擁有靈活的軟件包和Arm核?，F(xiàn)在是RISC-V。我們比其他公司稍微領(lǐng)先一步，所以當(dāng)人們?cè)谧鰷y(cè)試芯片時(shí)，我們推出了針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用優(yōu)化的產(chǎn)品。今年我們?yōu)檎Z音應(yīng)用優(yōu)化了RISC-V。我們也可以將這個(gè)概念擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。MCU和MPU方面的轉(zhuǎn)變意義重大，而RISC-V幫助我們的汽車業(yè)務(wù)迅速跟進(jìn)。”
雖然RISC-V的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，但潛在的問題也越來越突出。Davidmann表示，對(duì)于RISC-V社區(qū)來說，質(zhì)量和驗(yàn)證是巨大的挑戰(zhàn)，他們通常無法像一些大型處理器公司那樣承擔(dān)相同數(shù)量的驗(yàn)證周期。他說：“我們必須共同努力，合作構(gòu)建應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)，因?yàn)閮?nèi)核的質(zhì)量將是未來的一大挑戰(zhàn)?！?/p>
安全性
安全性是生態(tài)系統(tǒng)中的增長(zhǎng)領(lǐng)域之一，無論是開發(fā)工具和加密核，還是芯片本身的安全性。
Codasip的CMO Rupert Baines認(rèn)為，在安全性方面，采用RISC-V的芯片具有明顯的優(yōu)勢(shì)，部分原因是它基于開源代碼。他說：“陽光是最好的消毒劑。所以人們更強(qiáng)調(diào)觀察、檢查。最終，安全性取決于架構(gòu)是如何實(shí)現(xiàn)的。有些系統(tǒng)會(huì)非常糟糕，而有些系統(tǒng)會(huì)非常非常好?！?/p>
Codasip最近收購(gòu)了Cerberus Security Labs。Baines表示，Codasip正在將Cerberus的IP集成到Codasip的產(chǎn)品中，這樣客戶就可以快速創(chuàng)建安全的RISC-V處理器設(shè)計(jì)。
RISC-V還可以作為安全解決方案的可定制內(nèi)核。例如，Rambus幾年前為政府和軍事應(yīng)用開發(fā)了一個(gè)可編程的信任根反篡改核，其中包括AES、RSA和ECC加密加速器核和一個(gè)真正的隨機(jī)數(shù)生成器。
Riscure同樣開發(fā)了專用模擬器來模擬使用RISC-V的安全屬性。Riscure董事總經(jīng)理Maarten Bron表示：“這顯示了芯片中軟硬件對(duì)策的有效性，以及硬件對(duì)策如何實(shí)際上可以將軟件對(duì)策的有效性放大10倍。”
下一步
RISC-V的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)正在迅速發(fā)展。EDA供應(yīng)商正在競(jìng)相圍繞RISC-V定位他們的工具。
西門子EDA推出了一個(gè)基于RISC-V工作組標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試工具，該標(biāo)準(zhǔn)目前正在進(jìn)行第二次修訂。西門子EDA的Tessent產(chǎn)品經(jīng)理Peter Shields說：“很多設(shè)計(jì)不僅僅是RISC-V，理解復(fù)雜系統(tǒng)中的程序行為是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。停止內(nèi)核來調(diào)試軟件通常是非常不切實(shí)際的。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的背景下尤其如此，當(dāng)內(nèi)核停止時(shí)，系統(tǒng)的性質(zhì)決定了不會(huì)等待。所以我們需要一種非侵入式的方式來全速地觀察程序行為。這使你能夠準(zhǔn)確地看到軟件在系統(tǒng)中是如何執(zhí)行的，以及它是如何響應(yīng)實(shí)時(shí)事件的。處理器跟蹤為你提供了這種能力，可以在不停止內(nèi)核的情況下絕對(duì)捕捉到執(zhí)行指令的序列?！?/p>
其他挑戰(zhàn)與RISC-V關(guān)系不大，更多的是與使用較小節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)有關(guān)。Davidmann說：“當(dāng)我們轉(zhuǎn)向更小的節(jié)點(diǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)所有這些規(guī)模問題和挑戰(zhàn)。這是構(gòu)建這些東西并將其整合到設(shè)備上的物理機(jī)制。我們剛剛開始與其他一些公司在SoC層面進(jìn)行合作，如果我們達(dá)到系統(tǒng)層面，這將是一個(gè)漫長(zhǎng)而緩慢的過程?！?/p>
進(jìn)入數(shù)據(jù)中心和汽車應(yīng)用將為提高RISC-V設(shè)計(jì)的可靠性帶來更大的壓力。意大利博洛尼亞大學(xué)和摩德納大學(xué),以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種基于RISC-V的開源SoC，能夠以超低功耗運(yùn)行Linux。來自西班牙巴塞羅那超算中心的研究人員最近也推出了一種矢量處理加速引擎，該引擎集成了RISC-V矢量擴(kuò)展。
這些項(xiàng)目在現(xiàn)有處理器上的表現(xiàn)如何還有待觀察，但此舉表明了RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的增長(zhǎng)和雄心。
盡管RISC-V不太可能很快取代現(xiàn)有的芯片架構(gòu)，但異構(gòu)SoC和封裝中RISC-V核的增長(zhǎng)表明，這種開源指令集架構(gòu)正變得越來越主流。RISC-V的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠定制和重新定制，且一旦設(shè)計(jì)完成就不需要支付版稅。此外，由于大量公司和工程師合作開發(fā)開放源代碼，它可以在安全方面提供優(yōu)勢(shì)。
同時(shí)，RISC-V集成并不簡(jiǎn)單，需要更多的應(yīng)用來管理內(nèi)核質(zhì)量和驗(yàn)證。這個(gè)快速發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)在邁向成熟的過程中肯定會(huì)展現(xiàn)出新的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。