2019-08-20
全景式解密RISC-V进展:阿里紫光争推芯片新品,基金会成员已超327家

智东西(公众号:zhidxcom)
文 | 心缘

智东西8月12日消息,今日,RISC-V领军创企SiFive在京举办中国技术分享会,分享RISC-V指令架构集面向AI、垂直市场的前沿话题。

面向炙手可热的AI和物联网市场,RISC-V凭借开源免费、可扩展、模块化等特点,正成为半导体IP市场一颗冉冉升起的新星,而且被认为是实现造芯事业“自主可控”的新希望。

近年RISC-V指令架构集(ISA)生态阵容快速壮大,2015年创立的RISC-V基金会,迄今为止吸引了全球28个国家327多家会员加入,其中不乏NVIDIA、美光、三星等芯片巨头的身影,西部数据还宣布计划将高达每年20亿颗的芯片转向RISC-V架构。

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中国RISC-V市场亦持续升温,据悉,国内目前有超过260家机构在评估RISC-V架构。近期科技圈热议的阿里平头哥首款芯片玄铁910,即是基于RISC-V架构,而且阿里号称它是目前业界性能最强的一款RISC-V处理器。

作为与RISC-V创始团队“血脉相承”的创企,SiFive在中国展开了多场巡回研讨会,不仅全面复盘RISC-V的起步历程和路线图,系统介绍RISC-V基金会的当前规模和进展,以及各大公司已经推出或正在计划中的RISC-V芯片产品,还就RISC-V在AI和IoT领域的前沿应用以及SiFive所提供的服务进行全景式解读。

一、起底RISC-V发家史,大中华区成员占20%

在RISC-V出现之前,历史上已经出现过多种指令集,比如DEC(PDP-11,VAX,Alpha)、英特尔(i960,i860,Itanium)、IBM 360、MIPS、SPARC、Arm等,这些商用指令集都或多或少经历过各种波折。

其中,IBM 360是现存最老的指令集架构,拥有超过50年的历史,IBM销售的大型机就采用这一架构。

MIPS屡经“卖身”波折,先是卖给了Imagination,后被转手到Wave Computing;SPARC早先被Sun公司开源,后被Oracle公司并购,如今已消失。

Arm被软银以40%溢价收购,当前软银已将25%的股权卖给了Abu Dham基金。

经过时间的洗礼和市场的检验,芯片指令集市场逐渐被Arm和x86牢牢把控。

x86凭借WinTel联盟成为笔记本/台式机/服务器芯片CPU指令的不二王者,而Arm则在移动设备领域所向披靡,超过99%的手机及平板的芯片都基于Arm v7/v8指令架构。

然而,以x86为代表的指令集架构非常复杂,能耗高,不适合应用于移动设备,而Arm授权费又很高,也不是完全开源。世界上不存在任何开源免费的指令集架构,也没有公认的标准。

在这一背景下,RISC-V应运而生。

2010年,加州大学伯克利分校EECS实验室启动RISC-V项目,以打造一个真正开源的、免许可的、免授权费用指令集架构。

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经过多年研究和验证,RISC指令集已发展出五代。RISC-V既指第五代RISC,同时“V”又代表“Vector”,即向量。

为了打造更加稳定的标准,RISC-V创始团队在2015年成立了RISC-V基金会。

截至到今年7月,RISC-V基金会已经吸引178家企业及机构加入,其成员总数已超过327家,来自全球28个国家,覆盖了全球超过半数的人口,而且还在持续扩张中。

其中,来自大中华地区的企业、研究机构及高校的数量达36家,占整体同类数量的20%。

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令人稍感意外的是,目前RISC-V基金会全体员工仅有3个人,这也意味着加入基金会的全体成员都是推动RISC-V生态发展的中坚力量。

二、传统ISA如自助餐,RISC-V更高性价比

和历代指令集架构(ISA)相比,RISC-V主要有五点区别。

(1)简洁:较其他商用指令集小很多。

(2)全新设计:吸取了前辈的经验教训,用户和特权指令集明确分离,和微架构/工艺技术脱钩。

(3)模块化ISA:提供短小精干的基本指令集+标准扩展(1+N),为将来预留足够空间。

(4)稳定性:基本及标准扩展ISA不会再改变,通过可选扩展而非更新ISA的方式来增加指令,使用了可变长度的指令编码,并且有许多空间以供指令集扩展。

(5)通过社区进行设计:由行业或学术专家及软件开发者组成的社区进行设计,可以共享RISC-V软件生态系统,显著缩短设计周期,在此基础上实现硬件差异化创新。

SiFive中国区业务发展总监陈卫荣以吃为例,将传统CPU增量ISA和21世纪RISC-V ISA分别比喻为自助餐和可增加新品的菜单。

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传统CPU ISA犹如提供各种应用所需的指令,犹如大而全的自助餐,想要享用里面的产品需人均消费300元。

RISC-V ISA则如一个提供“必选菜+可选菜”组合的菜单。基础指令是必选菜,可扩展指令是可选菜。

假设用户只想吃其中的几道菜,前一种方案就是要花300元把想要的、不想要的菜品都买下来;而在后一种方案中,用户可以根据自己的需要,自主选择不同的菜品组合,总计消费额度大大减少。

菜单的增加也有一定规则,由RISC-V基金会来决定何时在菜单中添加一个新菜(扩展指令),并在硬件和软件技术委员会(IG)进行扩展指令集的公开讨论后,只会就技术来讨论增加的重要性。

这样的模块化组合方式兼具精简高效、灵活可定制的特点,可实现更小的面积和更低的功率,对嵌入式IoT应用非常有价值。

有人担心RISC-V暗藏应用碎片化的风险,对此,RISC-V基金会主席Krste Asanovic教授认为,碎片化是指以不同方法做同样的事情,而多样化是指用不同方法解决不同问题。

随着需求越来越差异化,指令集碎片化所带来的影响也会越来越小,开放RISC-V促成正循环,催生更加多样化的芯片产品。

三、发展势如破竹,阿里紫光争推芯片新品

除了RISC-V基金会成立外,RISC-V的发展历程中屡屡出现标志性事件。

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例如在2016年,RISC-V的开创者Krste Asanovic、Yunsup Lee和Andrew Waterman创建了SiFive,希望通过商业化运营提供商业价值。

1、政府及研究机构动态

政府方面,美国DARPA在安全征集提案中要求使用RISC-V;印度政府将RISC-V作为国家ISA,已推出6款不同等级的RISC-V处理器;以色列在构建基于RISC-V的孵化器;近期巴基斯坦政府也宣布RISC-V为国家“preferred architecture”。

研究机构方面,伯克利-清华在深圳成立RIOS实验室,麻省理工学院、伯克利大学、密歇根大学、康奈尔大学、加州大学圣地亚哥分校等均在使用RISC-V,很多顶尖的学校开始开设RISC-V课程。

2、产业发展如火如荼

近年来,RISC-V产业发展亦是势如破竹。Andes、Codasip、Cortus、Pintouge、Nuclei、Syntacore等宣布基于RISC-V的IP核产品线。

在开发板和生态系统方面,SiFive推出分别面向IoT、高性能、AI等不同领域的开发板,作为软件和应用平,Microsemi/恩智浦也推出了开发板,西部数据推出开源RISC-V核SweRV。

近期一个引爆科技圈的话题当属阿里平头哥推出基于RISC-V架构的玄铁910,并发布“普惠芯片”计划。

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此前Nuclei推出1分钱计划,Andes推出FreeStart计划,Andes还宣布60个design wins。

在基于RISC-V的产品研发方面,西部数据和SiFive合作,计划将研发的所有产品中的存储器控制芯片都将采用RISC-V的IP,预计未来年出货量将达20亿颗。

美高森美推出基于SiFive核的PolarFire FPGA产品及PolarFire SoC FPGA产品,韩国Fadu推出基于SiFive核的7nm SSD控制器芯片,NVIDIA、高通也宣布推出基于RISC-V的产品。

在中国,嘉楠耘智、比特大陆推出基于SiFive开源核的AI芯片,华米推出基于SiFive核的边缘AI计算芯片黄山一号量产,紫光展锐推出采用RISC-V技术的春藤系列蓝牙耳机芯片,艾派克推出采用RISC-V的打印机管理芯片,优微科技推出基于RISC-V的快冲芯片。

最新的标志性事件发生在8月8日, IBM高价收购的红帽加入RISC-V基金会,在服务器领域进行深度合作。尽管目前RISC-V在服务器领域还稍显稚嫩,但随着红帽等更多服务器巨头的投入,RISC-V在服务器领域的未来还是颇有希望的。

未来更多厂家将宣布基于RISC-V的产品,RISC-V在服务器、移动设备和自动驾驶等领域的高性能实现将会增加。另外,基于应用的软件工作将大量展开,将渗透到DSP、AI、Vision、Networking等特定领域。

四、借势AI/IoT,推动垂直领域技术创新

当前AI模型发展和迭代速度很快,因此弹性的AI架构非常重要,传统的通用处理器架构设计方法遇到了提升能效比的瓶颈。

为了突破这一瓶颈,针对应用领域做优化的处理器架构(DSA,Domain Specific Architecture)成为处理器的新希望。

相比通用处理器,DSA需要设计时考虑专用领域的特殊需求,也需要设计者能对该领域有深入的理解,专为AI设计的神经网络处理器、为图像和VR设计的GPU都属于这一领域。

而RISC-V正适合DSA,这是因为传统指令集架构基本都是几十年前出现的,而RISC-V是一种开源的新兴ISA,拥有五大优势:稳定、简单、模块化、简化设计、为可扩展性/专门化设计。

越来越多的AI芯片设计厂商将RISC-V架构应用在IoT设备中。

无论是对于低能耗和低成本要求高的应用,如智能门锁、家居安全、专业监控等,亦或是对高计算能力和低延迟有高要求的应用,如扫地机器人、AR/VR眼镜、自动驾驶、无人机、工厂自动化、智能助手等,均可应用RISC-V架构方案。

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随着应用领域趋于细化,一颗芯片打天下已经成为过去时,市面上逐渐发展出两种创新毛事来满足不同应用需求。

一种如高通,先有芯片,再有系统;软件依赖硬件资源;由芯片驱动技术创新。

另一种如苹果,采用垂直领域芯片定制模式,根据应用需求进行定制,从软件协议以及硬件、芯片。

垂直定义模式有三大特点:一是目标专注,二是采用独特的DSA架构芯片来构建核心能力,三是从应用到芯片的全栈式优化。

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定制化RISC-V半导体产品,可帮助系统设计师缩短上市时间,减少成本费用,让定制硅芯片产品更加大众化。

不过,这种模式主要存在五个方面的挑战,分别是足够的IP资源、SoC平台、协同好有至少14种工种岗位 的团队、平衡验证芯片耗费的时间与快速迭代的市场需求、以及降低成本和使用门槛。

面对高速发展的AI、IoT浪潮,RISC-V生态建设的重要推动者SiFive也在为AI应用提供更多助力,为DSA创新提供更好的RISC-V CPU核,持续创新的SoC架构和解决方案。

他们希望打造提供容纳广泛SoC可共用IP的平台,降低芯片设计门槛,使得客户能够专注在自己特有的优化,实现应用创新。

五、“嫡出”创企SiFive:获芯片三巨头投资,三类服务助推AI应用

作为RISC-V创始团队正统出身的RISC-V商业化公司,SiFive成立仅3年,已完成101个RISC-V Design Wins,并与多家国际知名半导体厂商建立深度合作关系,在全球Top 10半导体中,有6家都是SiFive的客户。

今年6月,SiFive完成由6540万美元D轮融资,投资者包括高通、英特尔和三星三大半导体巨头,累计融资金额达1.25亿美元。另外SiFIve去年8月在中国成立的独立公司赛昉科技也获得1100万美元投资。

针对垂直领域应用优化的DSA SoC平台,SiFive希望将垂直领域需要的技术都整合到统一平台,使得客户能专注于5-10%的差异化技术。

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SiFive提供的RISC-V CPU内核有三个技术特点:

首先,不同于其他厂商,SiFive只提供RISC-V标准指令集,将自定义空间留给客户,提升效率、给予更多ISA指令集。

其次,SiFive提供最大可伸缩/配置的模块化设计,使得不同应用场景获得更好能效比、性价比。

最后,SiFive提供持续开放的多系列成熟RISC-V IP,支持多种内核的在线定制,使得用户1h内即可设计自己的定制化CPU。

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面向嵌入式AI市场,SiFive主要提供三类服务:一是RISC-V标准核IP,二是基于云的SoC模板,三是传统SoC。

标准核方面,SiFive提供RISC-V四大系列核,分别面向高效能、低功耗等不同应用需求。

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其中,E Core为32位嵌入式处理器IP,主要应用于MCU、边缘运算、AI与IoT。

S Core与U Core都是64位,S Core为嵌入式CPU IP,可应用于储存、AR/VR、机器学习;U Core为应用级CPU IP,主要应用于Linux、数据中心与互联设备。

为了让设计芯片像获得任何App软件服务一样简单可行,SiFive提供在云端的Core Designer,包含大量的设计自动化工具和云端资源,并提供季度上新服务。

用户不需要庞大的芯片设计开发团队,可在云端按需灵活配置内核IP,在12周内就能以较低成本交付定制化的专用芯片。

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传统SoC主要面向边缘服务器的推理,基于RISC-V的AI芯片正从终端扩展到云端。SiFive提供的AI平台,既有面向有超低能耗需求的消费级和工业级的IoT应用,也有面向服务器端的推理应用。

SiFive不仅是RISC-V提供商,很多理念是软件开发。

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据悉,SiFive的方法学已经创造了多个世界第一。

SiFive与台积电、微软、Cadence合作,实现了世界首款基于云端设计的芯片,此设计包括SiFive的64位多核心7nm RISC-V CPU——Freedom U540,可用于执行RISC-V的Linux操作系统和相关应用程序。

还有我们在前文提到的韩国Fadu,通过和SiFive合作,打造了世界首款基于RISC-V的SSD控制器。Fadu CEO Jihyo Lee表示,SiFive基于RISC-V的IP只有其他竞品方案1/3的功耗及1/3的面积,这给予他们所需的灵活性以优化他们的架构,创造许多突破性的产品。

另外,为了打造技术创新环境,推动IP与SoC联动发展,SiFive在2017年推出DesignShare项目,通过和众多第三方IP伙伴合作提供在原型设计期间免费IP,致力于降低产品原型设计成本。

如今,DesignShare合作伙伴数量已达到20个,并在持续扩张中。

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另外在今年3月成立的CHIPS联盟中,SiFive与谷歌、西部数据、Esperanto等一同作为初始成员企业,聚焦在开源硬件和开放RISC-V体系架构上,共同定义芯片模板,为创建和部署新的开源芯片设计、实现产品的快速迭代提供一种创新尝试。

结语:RISC-V市场持续升温

总体来看,RISC-V凭借开源、可扩展的特性,允许共享软件生态系统,并支持在此基础上进行差异化创新,在近两年迅速吸引了越来越多的成员加入,生态系统快速扩张,许多大公司均已创立基于RISC-V的SoC研发团队。

尤其是AI和IoT发展方兴未艾,为基于RISC-V架构的芯片研发创造了可观的落地空间和机会,按照现在的趋势,RISC-V市场将持续升温,后续还会有更多相关开发计划和项目问世。

但相比遍及全球移动设备的Arm和遍及全球PC端的x86,RISC-V生态还很小,最后能跑完马拉松的毕竟是少数人,软件支持、市场的验证和接受都需要漫长的过程,RISC-V生态建设的参与者们需对这一过程持有耐心。