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RISC-V與Arm之爭:開發中國自己的開源架構才是王道

作者:時間:2019-10-22來源:DRAMeXchange收藏

10月21日,在第六屆烏鎮互聯網大會上,阿里巴巴旗下宣布,基于指令集的低功耗微控制芯片()設計平臺,將業界對近期本已非常火熱的指令集的關注推向新高度。

本文引用地址:http://www.zgzcxq.live/article/201910/406143.htm

而就在數天前,Arm在Arm TechCon 2019大會中宣布,推出針對Armv8-M架構新增的功能Arm Custom Instructions(客制化指令)。Arm長久以來只開放IP授權,業界將Arm Custom Instructions的推出解讀為Arm應對指令集架構的競爭壓力所作出的措施。

關于RISC-V與Arm之爭以及中國指令集市場發展再次成為業界話題焦點。

指令集架構RISC-V強勢崛起

指令集可分為復雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC),此前全球幾大指令集架構有X86、Arm、MIPS、POWER、SPARC等,其中X86屬復雜指令集,Arm、MIPS等屬精簡指令集。

在產業發展過程中,隨著MIPS、SPARC的日漸式微,指令集架構已形成較為穩定的市場格局:由X86和Arm兩大指令集占據大部分市場份額,其中在服務器、PC領域,X86指令集占據主要市場地位;在移動通訊領域,Arm指令集被廣泛使用,具有壟斷地位。

不過,這一格局正在受到一個發布不到10年的指令集——RISC-V的沖擊。

2010年,加州大學伯克利校一個研究團隊在為新項目選擇處理器指令集時分析了Arm、MIPS、SPARC、X86等多個指令集,發現它們不僅設計越來越復雜,還存在知識產權問題。于是伯克利的研究團隊從零開始設計一套全新的指令集,這個新的指令集命名為“RISC-V”,表示為第五代RISC。

相對于X86指令集的完全封閉及Arm指令集高昂的專利授權費用,RISC-V指令集完全開源共享,任何公司、大學、研究機構與個人都可以自由免費使用,并具備精簡、模塊化、可拓展等優點。對于芯片設計廠商而言,除了不用擔心會涉及專利問題外,RISC-V指令集展現出的靈活性亦極具吸引力。

憑借著免費、開源、靈活等優勢,RISC-V指令集推出后受到眾多芯片設計廠商的關注,在短短幾年間在全球范圍內迅速崛起。

RISC-V指令集屬于一個開放的、非盈利性質的基金會,自2015年成立至今,RISC-V基金會已擁有超過327家成員,成員中涵蓋了半導體設計制造公司、系統集成商、設備制造商、軍工企業、科研機構、高校等各類組織,其中白金會員包括谷歌、微芯科技、美光、英偉達、恩智浦、高通、三星、西部數據等全球知名科技/半導體企業,金、銀和審計員隊列中亦有臺積電、英飛凌、意法半導體、聯發科等一眾知名半導體企業。

如今,RISC-V已獲得多家半導體巨頭的支持。早在2017年,存儲巨頭西部數據宣布將把每年各類存儲產品中嵌入的10億個處理器核換成RISC-V,并于2019年2月發布其基于RISC-V指令集的自研通用架構SweRV;芯片巨頭高通亦參與了RISC-V指令集廠商SiFive的融資;晶圓代工龍頭臺積電已導入RISC-V代工業務,近期傳聞三星也將涉足RISC-V芯片代工。

除了企業、機構等單位外,多個國家亦對RISC-V作出了戰略規劃與部署,包括如美國國防部高級研究計劃局(DARPA)資助了RISC-V基金會,并在安全征集提案中要求使用RISC-V;歐洲委員會2018年啟動EPI計劃,RISC-V和Arm都將作為此次計劃的備選指令集;印度更是將在過去幾年全面擁抱RISC-V,RISC-V已成為印度國家指令集......

中國扛起RISC-V指令集大旗

RISC-V已獲得眾多國家的支持,該陣營目前已相當熱鬧,玩家越來越多,中國廠商則是RISC-V指令集陣營的中堅力量。

目前,中國企業阿里巴巴以及小米生態鏈公司華米科技是RISC-V基金會19個白金會員之一,華為、全志科技、君正、樂鑫、芯來科技等中國企業及機構亦在RISC-V基金會的金、銀和審計員隊列中。

除了眾多企業、高校和機構成為RISC-V基金會成員后,中國本土亦建立起兩大RISC-V聯盟。

2018年9月,中國RISC-V產業聯盟(China RISC-V Industry Consortium)正式成立,該聯盟由芯原控股、芯來科技、上海賽昉科技(SiFive China)、杭州中天微、北京君正、兆易創新、紫光展銳、晶晨半導體、華大半導體、上海集成電路行業協會等單位共同發起。

2018年11月,中國開放指令生態(RISC-V)聯盟在烏鎮世界互聯網大會正式成立,成員包括北京大學、清華大學、華為、百度、紫光展銳、騰訊、華米科技、全志科技、蘇州國芯等系列高校、互聯網巨頭及半導體企業。

此外,近兩年來國內相繼發布多款基于RISC-V指令集的芯片產品,中國RISC-V產業發展持續升溫,其中阿里巴巴為最主要的RISC-V指令集支持者之一。

2019年7月,阿里巴巴旗下發布其成立后的第一款芯片產品玄鐵910,這是一款基于RISC-V指令集的CPU IP Core。同時,阿里巴巴宣布啟動“惠普芯片”計劃,未來將全面開放玄鐵910 IP Core,全球開發者均可免費下載該處理器的FPGA代碼,開展芯片原型設計和架構創新。

10月21日,在第六屆烏鎮互聯網大會上,阿里巴巴宣布開源RISC-V內核芯片設計平臺。據介紹,平頭哥開源芯片設計平臺包含處理器、基礎接口IP、操作系統、軟件驅動、開發工具等全套模塊,搭載基于RISC-V指令集的玄鐵902處理器。

該平臺面向AIoT時代的定制化芯片設計需求,目標群體包括芯片設計公司、IP供應商、高校、科研院所等,目前開源的是玄鐵902處理器及相關IP,不過平頭哥透露,后續還將開放更多IP和玄鐵處理器。

除了阿里巴巴外,華米科技、紫光展銳、兆易創新、芯來科技等芯片廠商亦已發布基于RISC-V指令集的芯片產品。

2018年9月,華米科技發布全球首款采用RISC-V開源指令集的可穿戴處理器“黃山1號”。2019年6月,華米科技基于“黃山1號”芯片打造的AMAZFIT米動健康手表發布,“黃山1號”正式商用。

紫光集團旗下紫光展銳也已加入RISC-V指令集大軍中。目前,在RISC-V的商用領域,紫光展銳目前已有春藤5842和春藤5882兩款基于RISC-V的芯片實現量產,紫光展銳表示未來將繼續對RISC-V在5G、AI、工業半導體等領域的運用進行有益探索。

2019年8月,國內半導體企業兆易創新推出一款基于RISC-V指令集的GD32V系列32位通用MCU產品GD32VF103系列,提供從芯片到程序代碼庫、開發套件、設計方案等完整工具鏈支持并持續打造RISC-V開發生態。

RISC-V基金會銀級會員之一芯來科技是國內專注于RISC-V處理器內核IP與解決方案的公司,目前也已發布面向AIoT的超低功耗產品線N200系列。該公司近期宣布完成數千萬元Pre-A輪融資。

兩大RISC-V聯盟的成立以及多款芯片產品的推出,正在加速推動中國RISC-V產業化發展。雖然現在Arm指令集仍是中國市場最主流的指令集架構,但一方面基于RISC-V指令集免費、精簡、模塊化、可擴展等優點,一方面受當前充滿不確定性的復雜國際環境影響,RISC-V指令集越來越受到中國芯片廠商的重視。

老牌指令集打響自衛反擊戰

這邊RISC-V指令集來勢洶洶,再加上物聯網等市場需求所趨,其他指令集也開始加入開源隊伍中來,老牌指令集廠商MIPS首先打響了自衛反擊戰。

2018年12月,Wave Computing宣布開放其MIPS指令集架構以便半導體公司、開發者以及大學能快速采用MIPS架構用于下一代的SoC芯片的設計開發。MIPS指令集從1985年第一個版本發布至今發已有30多年歷史,2018年6月,美國公司Wave Computing收購了MIPS,開放MIPS指令集是該公司“All in AI”戰略的重要組成部分。

根據MIPS開放計劃,其并不是所有版本的MIPS指令集,僅是最新的MIPS Release 6版本,與RISC-V指令集的開源既有所相似、亦有不同,相比之下RISC-V指令集的開源更為徹底。

繼MIPS之后,一直穩坐移動通訊領域龍頭的Arm亦對RISC-V指令集的發展勢頭萬分戒備。

2018年6月,Arm建立RISC-BASICS.COM的網站,以“設計系統芯片之前需要考慮的五件事”為主題,從成本、生態系統、碎片化風險、安全性和設計保證五個方面說明RISC-V在這些方面的弊端。

雖然這個網站不到一個月就被Arm關閉,但外界從這一舉動中看出Arm已受到來自RISC-V指令集的競爭壓力。曾有機構調研顯示,2017年Arm的IP授權收入下滑6.8%,一方面是因為被軟銀收購之后導致財務報表改變,另一個重要原因是來自競爭對手的增加,即RISC-V。

如果設立網站辯論仍停留在“口舌之爭”,那近期Arm宣布推出Arm Custom Instructions客制化指令這一舉動,更被業界看作是應對RISC-V指令集的競爭威脅。

Arm Custom Instructions將于2020年上半年開始在Arm Cortex-M33 CPU上實施,并且不會對新的或既有授權廠商收取額外費用,同時讓SoC設計人員在沒有軟件碎片化風險下,得以針對特定嵌入式與IoT應用加入自己的指令。

據介紹,Arm Custom Instructions通過對CPU進行修改、保留編碼空間得以實現,幫助設計人員輕易增加客制化數據路徑擴展,同時保有既有軟件生態系統的完整性。這個功能加上既有的協處理器接口,可讓Cortex-M33 CPU利用針對機器學習(ML)與人工智能(AI)等邊緣計算應用場景優化的各類型加速器進行擴展。

與MIPS開發計劃類似,Arm的客制化指令已針對Cortex-M33,該系列主要面向物聯網和輕量級AI等應用領域。某不愿具名的業內人士向筆者表示,物聯網等領域需求量大,注重低成本、低功耗、高效能比等,對軟件生態的依賴性相對較低、市場較為分散,Arm基于其處理器IP商業的成功推廣,目前Cortex-M嵌入式領域占據多數市場份額。

但該人士也指出,其他RISC指令集處理器也有不錯的表現,尤其是近期陸續有廠商推出自家RISC-V架構的芯片,未來在IoT應用不斷落地的影響下,可以預見會有更多的RISC-V架構的芯片問世,這在一定程度上可能危及到Arm Cortex-M架構未來的地位。

他認為,Arm推出客制化指令,一方面是針對物聯網等新興市場提供芯片靈活性,另一方面則為了對RISC-V指令集的防守。

開發中國的開源架構才是王道

RISC-V指令集雖然火熱,但其仍處發展期,產業生態仍遠不如老牌廠商,MIPS、尤其是Arm針對性的“開源”計劃,對RISC-V指令集本身發展以及正在火熱發展RISC-V的中國市場將有何影響?

上述業內人士指出,Arm客制化指令的推出,一定程度上一定程度上在不增加客戶使用成本的前提下,為物聯網等客戶芯片開發提供了更高的靈活性。從采用Arm指令集的芯片開發商的角度看,開源度提升無疑是好事,將擁有更多自主性、差異化以及客制化設計。

不過,該人士認為Arm此舉雖然加強了Arm的客戶粘度,對RISC-V起到了一定的防御作用,但并不會遏制RISC-V的發展,廣大市場客戶對RISC-V的研究開發熱情更不會減退,尤其是中國廠商。

眾所周知,中興、華為事件爆發后,“自主可控”已成為大陸廠商抵御風險的重要保障。Arm指令集授權方式不同,盡管華為海思等已購買Arm指令集終身授權,但可能仍難以擺脫受到美國出口管制的限制;相較而言,RISC-V的開源明顯比Arm更能滿足“自主可控”的需求。

在這里,不得不提一下Arm去年成立的Arm中國。Arm中國是Arm與中資的合資公司,雙方持股比例為中方 51%、Arm 49%,據Arm高層表示,Arm會將全球所有IP共享給中國合資公司,由它做修改、調試等,衍生出只屬于中國自己的IP。

從某種意義上解讀,Arm中國未來或有可能誕生屬于中國的IP,但實際上合資公司要想出完全屬于自己的全新IP非常困難,仍需要較長的周期。

至于暫且不受專利及國際環境影響的RISC-V,上述人士則表示,雖然RISC-V目前為開源共享,但其技術終究源自美國,并不能保證永久開源。

對于中國廠商而言,“只有開發出屬于中國自己的開源架構才是真正自主可控。”

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