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RISC-V对中国科技界意味着什么?

heian
发表于 2020-08-31 15:23:10

作者 | Kevin Xu 
编辑 | Linda
任何一个希望自力更生的国家也许都得有自己的“夜莺”才行。

本文最初发表在 Interconnected,经原作者 Kevin Xu 授权,由 InfoQ 中文站编辑并分享,内容在不改变原意的基础上作了编辑和整理。

不久前,我读了一篇像小说一样的 长篇科技文章,该文记述了台积电和三星争夺全球芯片铸造厂领头羊的局部激烈竞争。这场竞赛持续了 30 年,至今仍在继续。

在众多细节中,让我印象最深的是,为了加速研发进程,台积电在五六年前启动的“夜莺计划”。因为它当时在技术上落后于三星,苹果 A9 芯片的订单也被这家韩国巨头夺走了。台积电设计了一个三班制,24 小时不停的研发运作,效仿另外一家台湾制造业巨头富士康的生产线的运维实践。这些“夜莺”是愿意上夜班的工程师和研发人员,给他们的底薪加 30%和分红加 50%。由于这次计划,2014 年台湾的总工时为 2135 小时,可以理解为是当年全球所有经济体中最多的。

台积电以及整个台湾经济在当时正面临生存斗争。中芯国际,甚至可以说它是整个中国科技和经济的未来,也正面临着一场规模的生死之争。

有许多相互关联的因素,如果放在一起看,也许会帮我们分析和预测这场斗争的最终结果:

RISC-V,芯片铸造技术,“新基建”计划,开源,以及一些台积电的元老们,他们现在正在掌控中国半导体产业。

让我们依次看一看这些因素。

RISC-V:强项与弱项

围绕中国走向科技自力更生之旅的讨论中经常涉及 RISC-V,它是一种基于有开源许可的硬件指令集体系结构(指令集体系结构,ISA)的一个开放标准。因为是开源的,任何人都可以根据 开源理念的四大自由 去运行、更改、复制和分发它。

但是 RISC-V 还很年轻。在 2019 年 6 月以前,它的 用户空间 ISA 和 特权 ISA 并未“冻结”,因此可以允许扩展的软件和硬件开发。技术和社区生态系统正在逐渐成熟,中国企业在 RISC-V 基金会的 六位最高等级成员中,有四家是国内组织:阿里巴巴,华为,RIOS Lab 和中国科学院计算技术研究所。

但在不远的将来(例如说未来五年),RISC-V 这门技术可以令中国科技切实地实现什么?

强项: RISC-V 是一个可以快速重复和设计 专用芯片 的很好的技术基础。开发周期和体验更接近于软件而不是硬件。开发速度如此之快的一部分原因是开源。与 ARM 等专有对手类似的另一部分原因则是 RISC-V ISA 本身是“简化”的(即 RISC 中的 R 是英文“ reduced”),而并非另一种 CISC (C 代表“ complex”,复杂)ISA 可以支持的功能更多的芯片设计,类似英特尔的 x86。这种简化的体系结构能够很好地实现和优化最基本的计算指令,从而简化了数学:加,减,乘,除等。它不太能支持复杂的数学运算,只是矩阵乘法和偏导数(广泛用于深度学习人工智能中)。

弱项:预测您可能已经猜到的,RISC-V 的简化特征也是它局限的根源。虽然许多人喜欢拿 RISC-V 与通用处理器的 ISA(如 Intel)比高低,但它们目前的关系更是互补而不是直接竞争。现实中,实际上,专用 RISC-V 芯片可加速 AI 工作负载的某些计算,并与云中的通用 Intel 芯片并排运行。RISC-V 还需要很长一段时间(在我看来,超过五年)才能演变成一个能设计出典型通用芯片的 ISA,为我们的 iPhone,笔记本电脑或云计算数据中心提供动力。同时也需要激励足够多的开发者为 RISC-V 扩展 ISA,编译器和其他基础设施软件。

RISC-V 社区可以做出并努力去实现一个战略选择,因为从代码的上游贡献和协调,到开发者社区建设和开放式治理方面都存在很多复杂性,更不用说建立技术本身的工作,而且需要集体执行。当我们在想中国科技自力更生时,这个在可能的未来也许是值得思考的问题。我将在下面促进开源的话题下更详细地讨论这个问题。

“新基建”

考虑到 RISC-V 的优缺点,让我们看看在可预见的将来,RISC-V 芯片会在中国经济和基础设施中的哪些地方得到部署。

最基本的政策是国家发改委 出台的“新基建”计划,主要为扭转疫情对经济的影响。计划是在另外两个长期战略计划的大背景下制定的:中国制造 2025 和中国标准 2035。

最初的“新基建”计划的细节在过去几个月开始浮出水面,重点是信息技术和数字化基础设施,而同时又有像高速公路和铁路这样的传统基础设施。高层发出的信号已经开始引导许多才刚刚起步的芯片创业公司突然间受到了投资人的 关注和接近泡沫的估计。

话虽如此,考虑到 RISC-V 的优势,我认为 RISC-V 可以发挥作用的“新基建”领域如下:

  • 物联网

  • 智能交通

  • 新能源汽车充电

  • 有限的人工智能(需要定制加速的特定负载)

  • 无人驾驶(仅限于某些类型的传感器和数据采集)

而鉴于它的局限性,RISC-V 对以下行业的影响不会太大:

  • 云计算

  • 5G(基站建设和大众产品)

  • 区块链

  • 数据中心

  • 大数据

  • 大规模人工智能训练和生产部署

RISC-V 的影响力是有限的,但并非是可以忽略的。符合逻辑的下一步, 既是中国 帮助 培养和发展 RISC-V 成为一个更通用的 ISA ,从而减少对 ARM 或英特尔的闭源 ISA 的依赖,因为他们随时可能会被经济制裁而被限制。

实现这一目标的途径则必须以正确的方式培养开源。

正确的培养开源

开源在中国各个技术和研发群体里的讨论中层出不穷,尤其是在近期 MATLAB 遭禁这一新闻发生后。议论不可避免地导致了开源:有没有 MATLAB 的开源替代品来那 CAD 软件,像每一个芯片厂都需要的 EDA 工具将来怎么办?会不会有开源的 EDA 能来替代?

这些讨论中隐含的对开源的总体态度是一个“收受者”心态。在中国,开源解决方案大多被视为“免费的东西”,可以随时拿走随便用,而没有太多为社区贡献和奖励的行动和动机(用开源的话语说,就是缺乏“上游贡献”)。

这个现象在 RISC-V 生态中已经发生。阿里拥有逐步加速的 基于 RISC-V 设计的处理器,但目前并没有想给整个社区公开或贡献这个设计的计划。国内许多小型创业公司,现在虽然有压缩的新投资,但也在做同样的事情 — 使用 RISC-V 来设计制造专用芯片,而这些芯片实际意义上是闭源的。

(需要澄清的是:并非所有的中国企业都是不好的开源玩家;还是有公司对开源的贡献很大,DNA 里有开源。在我的“中国开源世界”系列文章的第二篇中,我从这个角度介绍了一些国内的科技巨头和初创企业。

如果中国希望将 RISC-V 发展成为一个更强大、更通用的构建模块,以实现半导体科技的自力更生,那么所有中国组织,无论是单个还是集体,都必须从一个“收受者”(taker)心态转变为积极的 “利益相关者” 态度。实际上,这意味着要吸收和实践开源的做事方式:除了为上游贡献代码,增进分享,还要包括透明的治理方式,与其他利益相关者和开发者进行公开讨论,以及清晰透明的决策过程。无论决策大小,这里有很多技术复杂性,也有很多人性复杂性。

面对现存的竞争,我们有理由相信,中国企业可能会为了实现国家使命而改变自己的行为,增加内外公开的合作,而 不必担心市场竞争的针锋相对 。如果整体推动得当,RISC-V 将会在全球释放规模的技术创新,同时也帮助会中国应对自己的生死之争。

芯片铸造厂:中芯国际,武汉弘芯

假设中国在未来 10 年确实培育出了通用 RISC-V,我们仍然需要关注国内芯片铸造厂的水平。他们的任务,— 也就是大规模生产可用的硅从而彻底达到自力更生的水平,可以说是更加艰巨。

中国资金最雄厚,知名度最高的国内铸造厂是中芯国际(SMIC),该公司去年从纳斯达克退市,并将于今年在上海的 STAR 市场进行了”爱国 IPO”。另一家知名度不是太高的铸造厂是武汉弘芯(HSMC),成立于 2017 年。

我之所以挑选这两家企业,因为他们的最高领导层与台积电早期团队有直接的渊源。中芯国际的联合首席执行官是梁孟松。他曾经是台积电创始团队的一员,在台积电 2000 年代初的重大技术突破中发挥了关键作用,从而大大减少了对 IBM 技术的依赖。武汉弘芯的首席执行官是蒋尚义。他是台积电的第一位 CTO,领导了超越 IBM 技术的研发工作。蒋尚义曾经在中芯国际担当短暂的任过一段董事,而梁孟松是他当年的得意门生。

另一件与技术特别相关的“内幕”:梁孟松在 2011 年离开台积电后,投奔三星,并帮助三星超越台积电,率先实现 14nm 的芯片制造能力。也因此导致了台积电的“夜莺计划”。(梁孟松与三星的雇佣关系后来也演变成一场竞业禁止和商业秘密的大官司,最终告到了台湾最高法院。)

2017 年梁孟松加入中芯国际担任联合首席执行官后,中芯仅用了三个季度的时间就达到了 14nm 的技术水平。

目前,中芯国际和武汉弘芯的 14nm 技术都落后于台积电的 5nm,不过也有报道称, 武汉弘芯正试图生产 7nm 芯片。通俗且客观的说,从计算规模看,一枚 5nm 芯片能做到的事情 14nm 芯片都做得到(nm 这个计数指的是晶体管的密度;计数越底,密度升高)。更关键的互换在于,14nm 芯片微小一些,可能会消耗更多的原材料(硅) ,相对于其性能比也可能会消耗更多的能源。这些因素还受芯片本身的设计,铸造厂本身的设计规则,每片晶圆的成品率以及整个铸造厂的制造和操作质量的影响。

那么,如果我们再把 RISC-V 和“新基建”这两个因素加进来,目前的半导体生产技术的差异意味着什么呢?

  1. 中芯或弘芯应该能够满足国内芯片的某些需求,这些需求对芯片的大小要求没有那么高,例如数据中心,无人车,云计算支持的大数据和人工智能,某些物联网设备。这些芯片中有些可能是基于 RISC-V 的,而另一些则不会是,因为我们上面已提到的 RISC-V 的技术限制。

  2. 在可预见的未来,这些国内的铸造厂将无法满足高端,高性能芯片的需求,例如最新的 5G 智能手机同时还可以玩 AR 游戏,或者最时尚的智能手表或无人机。

在与另一位共同首席执行官有过战略方向的争执后,有迹象表明, 梁孟松赢了这场转变,而将把中芯的未来重点放在研发上,而不是用现有技术提高了生产效率。然而,还有许多中国铸造厂们无法控制的因素会阻挠他们的进度。

夜莺重奏?

这些力量在台积电和三星当年处于类似发展阶段时是没有的。美国禁止被美国技术触及的半导体成品出售给中国,同时还在使用自己的外交势力向其他国家施压。

一个很好的例子:由于受到政府对荷兰政府施加压力,拥有最顶尖的阀门技术的荷兰公司 ASML 取消了给一名中国客户(传闻是中芯国际)的订单。(这件事情,我曾在“ 芯片,地缘政治,与大选”一文中做了详细探讨)这对过度依赖国外公司的 EDA 工具是个极大的挑战:在 农历 95%的 EDA 供应商 的英文外国公司,例如 Synopsys 公司, Cadence,Siemens,Ansys;国内的 EDA 制造商几乎没有任何市场份额。如果没有稳定且体积有限的 EDA 设备供应,无论有没有 RISC-V,都无法量产半导体。

但至少许多一位分析师 正确指出的,虽然钱在芯片行业里很重要,但人才更为重要。在这方面,倒是有些对中国有利的力量。

如果中芯的梁孟松(或弘芯的蒋尚义)在此打造一次“夜莺计划”,在中国几乎不会有任何文化或监管障碍会阻止他。富士康以及在深圳的许多工厂一直一直在运作昼夜不停地生产线。

(据我所知,受两岸关系影响, 大陆继续从台湾引入半导体科技人才 的计划可能会遇到一些障碍。)

但美国的反移民政策和言论可能不止填补这一空白。

在美国科技公司工作、在美国大学做研究的中国技术人才数量应该也是历史新高,而对他们的公开“敌意”也日益严重(见 朗普禁止 H1B 酒店签证,参议员汤姆棉花提议的“ 校园安全法案》)。半导体工业一直与爱国主义紧密相连。 台积电成立后利用爱国主义的号召,吸引了像蒋尚义、梁孟松及其他台湾裔的技术人才回台湾效力。当时他们都在像 AMD 或德州仪器这种大厂工作,或在伯克利或康奈尔做科研。三星也做过同样的事情,大量海外韩裔人才回韩国帮助建立自己的铸造厂。

现在中国已经致力于要长期打造自己的半导体产业,可以想象中芯和弘芯发出类似的爱国主义呼吁,从海外招募自己的“夜莺”,尽管在冠状疫情被完全控制之前,这种人才流动还不会发生。

这就引出了我想说的最后一点:美国。

最近,台积电宣布计划在亚利桑那州州建立一家铸造厂的新闻,我对此表达了满肚子的怀疑, 认为是一种为了赢得 2020 年大选的重要摇摆州 而做 的拉票的事情 。三位民主党参议员,舒默、里希、里德, 后来以国家安全为由表达了对台积电的做法,包括 Micron,GlobalFoundries 和 Cree 应该被考虑的美国制造商。

我不知道这三位参议员或他们团队是否知道这一点,但在 IBM 在被台积电(包括有蒋尚义和梁孟松的“研发六君子”)击败后,就退出了芯片铸造业务并把自己较差的技术甩给了 GlobalFoundries。GlobalFoundries 现在的大老板则是阿联酋的穆巴达拉投资公司。

中国自力更生的“生死斗争”,但美国其实也有类似的挑战。也许是由于美国在半导体制造业供应链的其他领域还是很有实力,美国的斗争很少被讨论或有深度反思,但它仍然是存在的。美国国会打算向半导体行业 提供 228 亿美元的援助 是一个值得庆幸的一步。但正是我们刚才讨论到的,这不仅仅钱的问题,还是人的问题。

2017 年,当台积电在芯片业务上超越了英特尔的时候,所谓有几位英特尔工程师去台湾拜访台积电,想搞清楚他们是如何被打败的。台积电同行的回答是:“ 你们睡觉,睡太多,睡太久了。”

任何一个希望自力更生的国家也许都得有自己的“夜莺”才行。

原文链接 :https://interconnected.blog/riscv-china-nightingales/

作者介绍:

Kevin Xu,Interconnected 创始人和作者,跨国企业服务创业公司高管及顾问,目前专注开源科技创业风险投资。此前曾在斯坦福计算机及法律研究院、布朗大学国际关系专业就读。可通过  LinkedIn  与作者互动交流。

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