RISC-V:提升IC设计业软实力的绝佳机遇

原创 2018-10-08
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在这个夏秋之交,IC设计行业内流行最广的一件事应该就是RISC-V。

首先是中国RISC-V产业联盟9月在上海成立,其次是SiFive举办的RISC-V中国巡回研讨会,分别在深圳、武汉、上海、成都和北京5座城市,60场专业演讲,1200名参会者掀起了一股RISC-V旋风。最近的一件事是上海市政府发文支持鼓励企业自主研发RISC-V架构芯片,上海成为第一个将RISC-V列入政府扶持对象的城市。

一、RISC-V产生背景

谈起RISC-V,必须首先弄明白ISA。ISA是工业标准体系架构(Industrial Standard Architecture)的简称。ISA对芯片设计的影响巨大,ISA决定着每一家芯片公司的产品业态,例如英特尔为什么不做移动芯片,因为99%的移动手机/平板电脑是基于ARM v7/v8 架构体系。ARM的合作伙伴为什么不做服务器,因为99%便携式电脑/桌面机/服务器是基于AMD64架构体系(超过95%以上是英特尔构建)。IBM为什么一直在做大型商业服务器,因为大型服务器的核心是IBM 360,它是生存时间最长的ISA,已超过50年生命周期。


ISA标准是计算机系统连接软硬件最重要的界面,但是在ISA领域免费开放的标准体系很少,不像其他领域有充足的开源架构。


表一、各个领域的开源架构比较(资料来源:SiFive)

历史上有许多大公司推出了一系列有名的工业标准架构:数据设备公司(Digital Equipment Corporation)沿用几十年的PDP-11、VAX、Alpha;英特尔从i960、i860,一直到今天的Itanium安腾处理器架构;接连被收购的MIPS(先是Imagination ,后是初创公司Wave AI);以及我们熟知的SPARC,Sun公司曾经开放SPARC,后被Oracle收购,现在已关门大吉了。

今天在市场上有许多基于SoC的ISAs,较为流行的有:移动通讯应用处理器,以ARM为最通用;各种图形处理使用的Graphic处理器;图像处理Image处理器;在无线数字信号领域的Radio DSPs;此外还有安全处理器(Security processor);电源管理处理器(Power-management processor)等等。这里面多是基于SoC的ISAs,每个都有自己独特的软件栈。

现在我们在各种应用中需要众多各不相同的ISAs,大部分需要授权,授权就意味着花钱。有些ISA还会随着时间消失,假如有一个稳定长期可用的,而且是免费和开放的ISA,我们可以用它来完成各种应用,是不是一件很开心的事呢?因此,RISC-V应运而生。

二、RISC-V的起源

到底什么是RISC-V?RISC-V的主要研发者之一、SiFive联合创始人和首席构架师Krste Asanovic告诉我们:“RISC-V是一个高质量的、无使用许可证的、无版权费的RISC ISA,它最初是来自伯克利的规范,由无盈利组织RISC-V基金会做标准维护,适合各种类型的计算机系统。从微处理器到超级计算机系统,众多的专有和开源内核可为工业界和学术界快速的体验采用,而且还有不断增长的共享软件生态系统支持。”


2010年伯克利加州大学(University of California, Berkeley,以下简称伯克利)在使用MIPS、SPARC、和x86作为标准开展了多年的研究后,认为有必要选择一个新的ISA作为下一代项目的系统构架标准,他们认为现在的x86和ARM结构太过复杂,其次还有IP知识产权问题。伯克利在2010年夏天启动了一个叫“三月项目(3-month project)”的课题,目标开发新的ISA。四年后的2011年5月发布了第一个基本用户规格书User ISA v1.0,并进行了流片验证。2011年,发布了以RISC-V为架构设计的Raven-1芯片,采用了28nm FDSOI工艺;2012年首个Rocket 芯片流片,采用45纳米工艺;2013年Linux Port问世;2014年发布User ISA v2.0 IMAFD,Hot chips 2014;2015年成立了RISC-V 基金会。

2016年英伟达(NVIDIA)发布了首个商业软核,这也是第一个RISC-V商业SoC。2017年西部数据发布了Privileged Arch,v1.10,这也是商业RISC-V应用的另一款SoC。

三、RISC-V有什么不同

有人形容RISC—V与其他ISA最大的不同是“大道至简”。


大道至简的理念首先是“简单”,RISC-V远比其他商业ISAs小。现代x86与ARM架构的文档长达数千页,且版本众多,而RISC-V架构文档不超过300页。熟悉体系结构的工程师仅需一至两天便可通读,虽然RISC-V的架构文档还在不断地丰富,但是相比x86与ARM,RISC-V的篇幅可以说是极其短小精悍。

所以有人称RISC-V设计是“干净的石板(clean-slate design)”设计,意味着一切“从零开始”,“干净”地分离用户和有特许权的ISA,也避开了u结构或工艺依赖的特征。

RISC-V另一个最大不同是其模块化的ISA设计,并且具备可扩展性。即基于ISA的小标准,带有多重标准扩展,以较少的可变长度指令编码对应广阔的操作码空间。其好处是稳定性高,基础和标准扩展被固定,另外提供给客户一个可选择的扩展空间。

这种模块化架构特性是x86和ARM所不具备的。以ARM架构为例,ARM架构分为A、R和M三个系列,分别针对于Application(应用操作系统)、Real-time(实时)和Embedded(嵌入式)三个领域,彼此之间不能兼容。

模块化的RISC-V架构可让用户灵活选用不同的模块组合,以满足不同的应用场景。例如,针对小面积低功耗嵌入式场景,用户可以选择RV32IC组合指令集,仅使用Machine Mode(机器模式);而高系统应用操作系统场景,可以选择RV32MFDC指令集,使用Machine Mode和User Mode(用户模式)两个模式,且它们之间的共同部分可以兼容。

“RISC-V并不是列在购物单上的备选商品,但各个国家的工程师都在瞄准它。他们认识到,它不仅仅是一个玩具和教学工具。”位于硅谷的Esperanto Technologies公司总裁兼CEO Dave Ditzel这样形容RISC-V,“与Arm、MIPS或SPARC相比,RISC-V在编译效率方面可能会节省30%-40%的时间,因为它实在太简单了。”


表二、几种芯片架构的性能对比(资料来源:SiFive)

四、RISC-V的行业采用状况

最先采用RISC-V作为工业标准架构的公司是英伟达公司,NVIDIA公开宣布他们所有的GPU都使用了RISC-V架构。其次是西部数据,他们宣布每年上十亿多的核都将向RISC-V转移,将逐步取代其他商业核。其他的芯片公司也许正在等风口。


处于第二梯队的小公司是一批有专有ISA 软核的IP供应商。第一个采用 RISC-V的主流CPU IP公司是Andes,还有RISC-V嵌入式处理器IP的领先供应商Codasip。业界领先的半导体和嵌入式系统解决方案供应商Cortus(中国)最近宣布将致力于发展RISC-V指令集的相关芯片产品,Cortus拥有一系列的Cortus ISA和RISC-V ISA的处理器核心、数字和软件IP。

特别提及的是C-Sky,阿里巴巴旗下的中天微系统有限公司最近宣布正式推出支持RISC-V第三代指令系统架构处理器CK902,支持物联网安全功能。中天微推出了基于RISC-V的第三代C-SKY指令架构,同时发布第一个32位低功耗CK902处理器。并将针对不同的产品应用场景,持续推出支持RISC-V的CPU IP系列。

受益于RISC-V风口最多的还是初创公司,RISC-V的出现使得他们可以不用花巨大的ISAs授权费用,很快进入CPU架构的设计之列,极大减少设计成本和设计周期。RISC-V可以帮助其建立一种完整的CPU和芯片设计硬件栈,使得非系统和芯片设计专家可以从容地设计芯片和CPU IP核,不需要有详细的架构、RTL、版图、验证、工艺、代工关系、封装、测试、IP采购和IP用途等方面的知识。Krste Asanovic博士说,“或许这些初创公司才是RISC-V风口的主力军,目前大多数还是隐身的,至少到明年才会现身RISC-V行列。”

五、政府和学术机构推动RISC-V

政府是另一个推动RISC-V的动力。印度是第一个采用RISC-V作为国家ISA标准的国家;美国的DARPA(国防高级研究计划局)最近在向国会发出的安全呼吁提案中建议使用授权RISC-V;以色列创新管理局创建了RISC-VGenPro 孵化器;其他政府许多还处在调研阶段中。


Krste Asanovic博士呼吁:“如果你的国家希望控制自身信息基础设施的安全,促进其本土半导体产业发展,就支持RISC-V吧!”

RISC-V在学术领域也正在成为热门。早在2016年,MIT 的研究人员就在Sanctum 项目中尝试使用 RISC-V 实现Intel SGX 类似的功能基础PoC。密歇根、康奈尔、华盛顿以及加州大学圣迭戈分校等几个大学,已迅速开发出500多个RISC-V核的SoC,采用16nm FinFET工艺。作为RISC-V的大本营伯克利,联合FireSim 在云中开展建模1024四核RISC-V的服务;剑桥大学开发出信息安全领域的RISC-V芯片。

RISC-V开放式架构完善了整个芯片与系统的创新周期,从研究、教育到工业,开放生态系统是保持有效力的创新周期前进的关键因素。


表三、SiFive RISC-V定制化设计(资料来源:SiFive)


六、RISC-V:提升我国设计业软实力的一次绝佳机

RISC-V意味着每一个项目和每一位客户将拥有自己的定制核。Krste Asanovic向我们解释说;“依靠强大的RISC-V生态系统平台,有成千上万的志愿者在助力你,他们是一支帮助你定制化的虚拟团队,让你的工程师只需将注意力放在项目的焦点上,而不需要深入设计的细枝末节。”


在全球微处理器指令集架构被ARM和英特尔x86垄断的形势下,RISC-V开源架构的横空出世,极有可能打破这一格局,并给我国处理器IP带来“自主可控”的发展契机。如前所述,在印度、美国和许多国家明确大力发展RISC-V指令集IP并已开始进入商用的阶段,我们的设计业者如何跟上节奏,提升集成电路设计的软实力,这是一个非常重要的机遇。

2016年成立的RISC-V基金会吸引了IBM、NXP、西部数据、英伟达、高通、三星、谷歌、特斯拉等众多国际企业参与,我国也有华为、中天微、中兴微、阿里、高云、中科院计算所等150多家企业与科研机构加入,但真正宣布基于RISC-V指令集开发IP核的企业目前仍是凤毛麟角。芯来科技创始人曾感慨道:“我们总是谈追赶这个追赶那个,但是一个新的技术出现,却又视而不见,眼看着又要错过一个时代,以后又要谈追赶了。”是的,不要输在起跑线上。现在RISC-V正在起步阶段,我们如果抓住这个机遇,就会摆脱过去长期依赖x86和ARM架构的被动局面,进入“自主研发”的快车道。

我们认为,发展RISC-V最主要的“抓手”是解决生态环境系统,在生态背后则要狠抓“人才、资金和政策”三把斧。

人才方面,目前软硬件开发者皆基于成熟的ARM架构开发,要聚集一群有志于开发RISC-V指令集的人才是关键。资金方面,要开发一款中等水平的成熟CPUIP核,每年投资至少也要500万人民币。投入产出不成正比,也是很多企业担心的理由。

在政策方面,目前大陆只有上海市政府出台了支持文件,如果企业基于RISC-V指令集开发32位及以上的处理器芯片,且所用内核拥有国产自主知识产权,销售额达到1000万元以上,便可获得一定的资金支持。但RISC-V开发还处于起步阶段,达到1000万的销售额不是一蹴而就的。所以要取得政府支持,还是有一定门槛限制。

有专家指出,我们应学习美国西部数据的闭环模式。高云半导体的专家指出,“西数之所以宣布其全部产品都基于RISC-V做开发,就在于它是一个封闭的环境,开发的IP不是卖给第三方,而是用在自己的硬盘控制器上,解决了生态不完善的难题。大陆的华为、中兴等系统商已经具备这个实力,如基于RISC-V开发一款通信设备的专用芯片,加上自己开发的软件,可在内部形成一个生态闭环。”

另外,我们也看到国内的许多CPU公司如飞腾、龙芯和君正,IP公司如国芯、中天微,FPGA公司高云等,已经加入到这场RISC-V研发的“盛筵”中,本土确实需要一批这样的带头企业。正如这位半导体专家指出的,“从企业自身来说要做到三点,一是,不能以盈利为目的进行RISC-V IP核的开发,否则只会适得其反;二是,一定要以市场为导向,找准自己的市场定位和客户群,且在IP核开发时就跟市场衔接好;三是赶紧行动,如果再等上个三五年,就真的难有机会了。”



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韩继国

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