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三问行业专家:RISC-V架构走势如何?-控制器/处理器-与非网

	
mikew
发表于 2020-01-08 16:46:25

      2019 年,整个半导体市场发生了太多大事件,美国实体名单、华为“备胎”方案、中国 5G 商用、台积电 7nm 量产……如果一定要提取几个关键词出来,RISC-V 一定要记入其中,因为它让一直处于“封锁”状态的处理器架构市场豁然开朗,并有望改变全球处理器市场的格局。

       

      中国的芯片市场长期浸泡在“重应用轻设计”的理念中,如果不是特朗普的禁售“大棒”拍下来,恐怕至今还不觉醒,也正是中国市场的觉醒,把 RISC-V 从不温不火推向了“熊熊燃烧”。如今,华为、高通、谷歌、三星、英伟达、NXP 等 100 多家科技公司已经加入 RISC-V 阵营,国内也有多家公司推出了基于 RISC-V 架构的芯片,阿里平头哥、兆易创新、华米科技、乐鑫等均在其列。

       

      针对 RISC-V 架构,业内也有诸多质疑声,RISC-V 内核是否是真正开源?未来 RISC-V 和 Arm 将呈现怎样的竞争格局?RISC-V 是否能助力中国 IC 市场的崛起?带着这些疑问,与非网记者采访了半导体行业资深人士顾长怡先生。

       

      顾长怡,本硕毕业于上海交通大学,后获得美国南加州大学集成电路设计专业硕士学位,在美国多家高科技公司从事嵌入式系统和 FPGA 的开发工作,在软硬件开发和数字信号处理方面积累了丰富的经验,是美国 PulseRain Technology 公司的创始人。2018 年,在由 RISC-V 基金会官方举办的全球首届 RISC-V Soft CPU 设计大赛中,由顾长怡先生主持设计的 PulseRain Reindeer 处理器内核脱颖而出荣获季军。2019 年,在以物联网安全为主题的第二届竞赛中,他主持设计的 PulseRain Rattlesnake 处理器成功挫败了所有的黑客模拟攻击,综合成绩获第一名。

       

       

      RISC-V架构是否属于真正的开源模式?

      从技术层面看,开源架构分三种形式,即完全开源、部分开源、封闭模式。封闭模式不难理解,英特尔的 x86 架构就是这种模式,不经过英特尔的授权其它公司无法使用 x86 架构设计芯片,目前国外只有 AMD 拿到了 x86 授权,国内只有兆芯通过威盛拿到 x86 授权。

       

      针对“部分开源”,顾长怡做了详细解释,实际上,就我对其它代码库的观察,“部分开源”可以有两种做法:一种是只公开非核心部分,而核心部分则保持封闭。另外一种做法是将源代码做混淆处理(Obfuscation,比如将变量名替换为随机生成的字符串等)。这两种做法都不利于社区的合作,使得其他人很难对现有设计做进一步的改进。对于社区合作来说,最好的方式当然是“完全开源”,这样有利于不同设计团队之间互相学习与合作,博采众长。

       

      我们平时都说 RISC-V 是开源架构,实际上是指 RISC-V 指令集是完全开放的。但是对基于该指令集而实现的 RISC-V 处理器,则其设计并没有必要也向大众完全开放。实际上,对于 RISC-V 处理器,其设计源代码可以采取上面提到的三种形式中的任何一种。不过因为指令集开放而产生的惯性,使得目前大部分的 RISC-V 处理器设计也都采用了“完全开源”的形式。而这对 RISC-V 的发展是非常有利的。除了前面提到的处理器设计可以博采众长以外,这还极大方便了操作系统和编译器的开发,并使系统优化整合变得相对容易。我觉得这种从下到上的完全开放才是 RISC-V 最大的技术优势。

       

      目前,不仅采用 RISC-V 架构的芯片厂商越来越多,加入 RISC-V 阵营的 IP 厂商也在不断增加,国内的晶心科技和芯来科技都已经推出了针对 RISC-V 架构的 IP 产品,随着 IP 厂商开启收费模式,RISC-V 是否还算真正的开源架构?用户使用的门槛是否会持续加大?

       

      顾长怡先生的回答是:我前面提到,RISC-V 的处理器设计可以采取“完全开源”、“部分开源”、“封闭模式”这三种形式中的任何一种。我相信随着 RISC-V 商业化运营的深入,会有越来越多的公司选择后两者。不过,讨论谁是“真正的”开源架构可能并没有那么重要,毕竟“不管黑猫白猫,能捉老鼠的就是好猫。”而且我也不觉得用户使用的门槛会因为商业化运营而持续加大。恰恰相反,由于大量“完全开源”设计的存在和 ARM 的强势竞争,用户使用的门槛很可能会一直保持在比较低的水平。

       

      RISC-V能否承载起中国IC崛起的重任?

      自己强大才是真的强大,美国在芯片市场处处发难也激起了国内创业者自主研发 IC 的热情。RISC-V 的开源吸引了全球的关注,印度已经将 RISC-V 定为国家指令集;以色列国家创新局将基于 RISC-V 研制作为全国企业服务的处理平台;去年,RISC-V 中国联盟成立,上海市政府宣布支持 RISC-V 架构芯片,RISC-V 中国联盟秘书长包云岗认为,“RISC-V 指令集有望像开源软件生态中的 Linux 那样,成为计算机芯片与系统创新的基石。”

       

      中国开放指令生态(RISC-V)联盟秘书处主任、中科院计算所高级工程师张科曾表示,在各类芯片中,处理器芯片是设计与制造过程中最为复杂的一类芯片,被公认为“集成电路皇冠上的明珠”,更是各国争相抢占的制高点,而指令集架构是处理器芯片的“灵魂”,如果处理器芯片能够基于开放、免费的指令集架构设计,并将设计源代码等文件开源,势必推动芯片及信息产业的新一轮变革。

       

      在这样的大背景下,RISC-V 被看作中国集成电路领域的新机遇,被寄予很高的期望, 顾长怡先生从技术角度发表了自己的看法,“RISC-V 是否能承担起这样的责任,这个我不敢妄下断语。不过我可以肯定的是,RISC-V 是目前所有可行的选择中最好的选择。RISC-V 不论是技术的先进性,还是软硬件生态系统的规模,目前在所有的开源指令集中都是最棒的。”

       

      未来RISC-V和Arm呈现怎样的竞争格局?

      在 RISC-V 的压力之下,Arm 也在调整业务模式。2019 年 7 月,Arm 推出了 Flexible Access 业务模式。一般情况下,合作伙伴从 Arm 获得单个组件的许可,并在使用该技术之前预先支付许可费用。而通过 Arm Flexible Access 模式,用户只需支付少量费用,就能获得广泛的技术组合,这个技术组合包括 SoC 设计所需的所有基本知识产权(IP)和工具,然后只需在产品准备好生产并开始发货时,向 Arm 支付许可费用和专利费用;在 2019 年的 Arm 技术大会上,ARM 宣布将在部分 ARMv8 Cortex-M 系列 CPU 内核中引入自定义指令功能,即客户能够编写自己的定制指令来加速其特定用例、嵌入式和物联网应用程序。

       

      Arm 夺得了移动互联网市场的霸主地位,随着移动互联网市场走向饱和,而 RISC-V 架构在物联网市场的呼声越来越高,Arm 已经意识到了危机,“加入自定义指令功能”、“下调 IP 授权费”就是在应对 RISC-V 架构带来的冲击,ARM Cortex-M 系列 CPU 内核主要应用于对性能要求较低、对于功耗和成本要求较高的物联网领域。关于 RISC-V 给 Arm 带来的威胁,顾长怡表示,“我个人觉得 ARM 的新策略的确会给 RISC-V 的市场扩张带来不利的影响。实际上,由于 RISC-V 天生的开放特性,除了祖师爷 SiFive 之外的其它 RISC-V 新创公司(Startup)如果要单纯重复 ARM 这种 License + Royalty 的商业模式的话,在发展上也许会遇到瓶颈。这可能会导致未来只有拥有 RISC-V 物理芯片产品的公司才能获得较大的发展机遇。”

       

      关于 Arm 和 RISC-V 未来的市场格局,顾长怡认为,在可见的未来,ARM 依然会占据中高端市场,而 RISC-V 则会在一些碎片化的市场领域,比如高校教育培训、物联网等占据比较大的份额。未来,RISC-V 要在物联网应用上实现完全的统一也许很难。但是 RISC-V 一定会占据比较大的市场份额。这是因为像物联网这样严重碎片化的应用场景,对客制化的需求非常大。而由于 RISC-V 天生的开放特性,使得其很适合于这种需要软硬件客制化的应用场景。

       

      工程师们应该如何学习RISC-V技术?

      RISC-V 技术也随着 RISC-V 架构的热度递增,越来越多工程师开始学习 RISC-V 技术。在学习过程中,工程师应该注意哪些问题?与非网记者也让顾长怡先生站在工程师的角度回答了这一问题。

       

      顾长怡:如果大家一定要问我在学习 RISC-V 过程中应该注意什么的话,我觉得最重要的就是要学习 RISC-V 的设计思想。RISC-V 在其形成过程中,从其它各种流行的指令集吸取了经验教训,并做了改进、创新和取舍。而这种在各种方案中进行分析比较,并做出折衷的过程,也许是工程师最重要的技能之一。因为在工程项目之初,往往有许多互相矛盾的设计需求,这个时候 make meaningful compromise 往往是项目成败的关键。而 RISC-V 背后的设计思想,则很好地体现了这个过程,很有学习和借鉴价值。

       

      目前,顾长怡先生的新书《基于 FPGA 与 RISC-V 的嵌入式系统设计》已经由清华大学出版社出版。这本书是顾长怡先生结合自己多年的软硬件设计实践,对 RISC-V 指令集和其背后的设计思想的一次归纳。书中围绕 RISC-V 介绍了各类相关的软硬件技术,包括 FPGA、Arduino、Make 工具以及实验开发板的具体操作等,结合了他在实际 RISC-V 设计中的感悟和理解。用他自己的话来说就是“这本书可以说是我技术职业生涯一次系统性的总结,我很高兴能有机会把这些‘道’与‘术’记录下来,并和工程师朋友们分享。”

       

      为了鼓励工程师们学习 RISC-V 技术,清华出版社特此给工程师们送出 5 本《基于 FPGA 与 RISC-V 的嵌入式系统设计》。

       

      赠书规则:围绕①RISC-V 是否真正开源? ②RISC-V 能否承载中国 IC 崛起之重? ③RISC-V 与 Arm 未来竞争格局如何?在评论区留下你的观点,与非网将选择 5 位言之有物的网友,送出以上书籍。

      (备注:此活动在与非网微信公众号同时进行)

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