未来智库 2020-08-22 20:16:35
1、依托产业联盟,未来大有可为,中国是 RISC-V 阵营中坚力量1.1. RISC-V 诞生和发展——应运而生,获巨头产业联盟支持 1.1.1. RISC vs CISC RISC 又叫精简指令集计算(Reduced Instruction Set Computer-RISC),和 CISC(复杂指令 集计算,Complex Instruction Set Computer-CISC)同为 CPU 的两种架构。 CISC 即通过复杂指令来提高性能,以 Intel、AMD 的 X86 CPU 为代表。通常 CISC 计算机所 含的指令数目少则 300 条,多则超过 500 条,这种架构会增加 CPU 结构的复杂性和对 CPU 工艺的要求,但对于编译器的开发十分有利。因此,早期的微处理器大部分为 CISC 架构,原因之一就是当时的编译技术不发达。但是,CISC 存在诸多缺点:(1)各种指 令的使用率相差悬殊,多数的复杂指令只在很少的时候被用到。(2)复杂的指令带来了 结构的复杂性,使得设计成本大幅提高且更容易出现设计失误。(3)由于难以把 CISC 的所有硬件集合在单一芯片上,限制了单片计算机的发展。 RISC 针对 CISC 的这些弊端,RISC 应运而生,其指令系统只包含使用频率很高的少量指令, 并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言,以 ARM、MIPS、SPARC、Open Power 为代表。这种架构可以降低 CPU 的复杂性并且在同样的工艺水平下看可以生产 出功能更强大的 CPU,但对于编译器的设计有更高的要求。 1.1.2. RISC-V 的诞生及发展 RISC-V 指令集是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA),该项目在 2010 年始于加州大学伯克利分校。当时,创始者 Krste Asanovic 教授需要使用一个微处理 器指令集,然而 Intel 的 X86 架构指令集存在专利问题,ARM 架构指令集的授权又十分昂贵。 在此背景之下,该研究团队决定从零开始设计一套全新的指令集, RISC-V 就此诞生。这里 的“V”包含两层意思,一是这是伯克利从 RISC I 开始设计的第五代指令集架构,二是它代 表了变化(variation)和向量(vectors)。在此之前,伯克利研究团队已研制了四代精简指令处 理器芯片,第一代处理器 RISC I是于 1980 年在伯克利 Dave Patterson 教授主导的 Berkeley RISC 项目中设计而成,也是 RISC 名称的由来。 获巨头产业联盟支持,RISC-V 产业生态正进入快速发展期。2015 年,RISC-V 基金会成立, 旨在聚合全球创新力量共同构建开放、合作的软硬件社区,打造 RISC-V 生态系统,推动 RISC-V 指令集被更大范围的采用以及未来指令集体系结构的进一步演进。自 2015 年成立至 今,RISC-V 基金会已拥有超过 327 家成员,成员中涵盖了半导体设计制造公司、系统集成 商、设备制造商、军工企业、科研机构、高校等各类组织。其中,白金会员包括谷歌、微芯 科技、美光、英伟达、恩智浦、高通、三星、西部数据等全球知名科技、半导体企业,金、 银和审计员队列中亦有台积电、英飞凌、意法半导体、联发科等一众知名半导体企业。如今, RISC-V 已获得多家半导体巨头的支持,拥有大量开源实现和流片案例,覆盖从高性能计算 到嵌入式等多种应用领域。并且,除了企业、机构等单位之外,多个国家亦对 RISC-V 做出 了战略规划与部署。 ![]()
1.2. RISC-V 特点——优势显著,构建完整生态,未来大有可为 1.2.1. 开源、轻量化、模块化设计,RISC-V 优势显著 1)开源——可实现安全、自主、可控 X86 和 ARM 架构授权壁垒极高。目前,CPU 的主流架构都是 X86 和 ARM 架构,这两个架 构都非开源模式,且在授权上存在较高壁垒。从下图可以看出,Intel 仅将 X86 指令集授权给 AMD 和 VIA 两家公司。相较于 X86,ARM 指令集的授权相对宽松,但是授权费用非常昂贵。 根据法国芯片创业公司 Greenwave 表示,如果需要使用 ARM 架构,需要支付 1500 万美元 的授权费,且授权到期后是否继续授权和授权费用都需要重新谈判。 随着国际贸易摩擦的加剧,自主可控的重要性不断凸显,RISC-V 开源免费,优势显著。目 前主流的两大指令集中,X86 被 Intel 和 AMD 两家美国公司垄断;ARM 虽源于英国,但被 较多技术先进的美国公司使用,且后续存在被美国公司收购的可能。如果未来国际贸易摩擦 加剧,这些指令集的授权都将受到不同程度的限制。不同于 X86 和 ARM,RISC-V 指令集是 完全开源的,且无需付费,因此我国的商业公司和学术机构都可以免费开发兼容 RISC-V 指 令集的处理器,大大减少了授权风险,有助于我国实现自主可控。 2)轻量化——简单可靠,适配于低功耗、小体积硬件,适合于轻终端 X86 和 ARM 架构复杂且冗长。经过几十年的发展,现代的 x86 与 ARM 的架构文档长达数 千页,且版本众多,主要原因是其发展的过程也是现代处理器架构技术不断成熟的过程。同 时,作为商用的架构需要保持向后和向前的兼容性,因此 X86 和 ARM 保留了许多过时的定 义,或是在定义新的部分时为了适应已存在的部分不得不将设计复杂化,久而久之架构篇幅 就变得极为冗长。 IC 设计试错成本极高,简洁的方案可有效降低错误发生。IC 设计的最终产出是芯片,而芯 片的设计和制造周期较长,因此升级和修改难度较大。此外,芯片的制造成本高昂,从几十 万美金到百千万美金不等。这些特性决定了 IC 设计的试错成本极高,因此能够有效降低错 误的发生至关重要。随着芯片设计规模越来越大,复杂度越来越高,简洁的设计往往更加安 全可靠,且足以应付大多数场景,复杂的设计用在最为关键的场景即可。 RISC-V 轻量化的设计理念适配功耗低、体积小的硬件,适合于轻终端。相比起 X86 和 ARM 这类成熟的架构,RISC-V 架构具备后发优势。一方面计算机架构经过多年时间已较为成熟, 且发展过程中所暴露的问题已被研究透彻,因此 RISC-V 架构能够加以规避。同时,由于推 出时间晚,其没有向后兼容的历史包袱。从架构篇幅来看,目前“RISC-V 架构文档”分为 “指令集文档”和“特权架构文档”,前者篇幅为 145 页,后者篇幅仅为 91 页。相比起数千 页篇幅的 X86 和 ARM 架构的文档,RISC-V 极其短小精悍。从指令数目来看,RISC-V 的基 本指令子集仅 40 余条指令,加上其他常用模块子集指令总指令数通常也不超过 100 条。轻 量化的设计适配于低功耗、小体积的硬件,极其适合应用于轻终端。并且,为了进一步减少 面积和功耗,RISC-V 架构还提供一种“嵌入式”架构,主要用于追求极低面积与功耗的深 嵌入式场景。 3)模块化设计——通过一套统一的架构来满足各种不同的应用场景 除了短小精悍,RISC-V 架构指令集还采用了模块化的设计。如下表所示,RISC-V 每一个模 块使用一个英文字母来表示。其中,子母“I”表示基本整数指令子集,也是 RISC-V 架构中 唯一强制要求实现的指令集。除此之外,其他指令子集均为可选模块,具有代表性的模块包 括“M/A/F/D/C”。 ![]()
得益于模块化设计,RISC-V 架构能够使得用户灵活选择不同的模块组合,从而通过一套统 一的架构满足各种不同的应用。RISC-V 架构的不同部分能够以模块化的方式组织在一起, 以满足不同的应用场景。例如,追求小面积低功耗的嵌入式场景可以选择使用 RV32EC 架构, 而大型的 64 位架构则可以选择 RV64G。这种模块化设计是 X86 和 ARM 架构所不具备的, 以 ARM 的架构为例,ARM 的架构分为 A、R 和 M 三个系列,彼此之间并不兼容。 1.2.2. 依托产业联盟,构建完善生态 RISC-V 的一系列特征也决定了其拥有一些缺点: 1)开源带来碎片化风险 开源虽然能够带来一系列优势,但随之而来的问题是主导者的缺乏。由于 RISC-V 允许用户 任意添加新的指令,照此趋势发展下去可能将会导致破碎化风险,即未来虽然各芯片厂商开 发出的 RISC-V 架构处理器都属于 RISC-V 体系,但在实际应用搭配时却不能够适配同样版 本的软件。 2)生态处于初期阶段,尚未成熟 尽管目前我国已有一大批企业构建了基于 RISC-V 架构的开源芯片的关键技术,但国内 RISC-V 的产业生态仍然不够完整,且产业链主要是外围配件等中低端产品,而在高端主控和高性能服务器 CPU 相关方面还没有广泛应用的成品。未来的发展需依托产业联盟,构建 更为完善的生态系统。 结论:依托产业联盟,构建完善生态,RISC-V 大有可为。RISC-V 指令集完全开源,且使用 的是 BSD License 开源协议,不仅无需付费,同时允许使用者修改和重新发布开源代码,并 基于开源代码开发商业软件发布和销售。因此,商业公司具有很强的动力去推动 RISC-V 生 态的建立和发展。未来,依托产业联盟,RISC-V 有望构建完善的生态系统。硬件生态方面, 将会有越来越多基于 RISC-V 架构的实现案例。软件生态方面,诸如调试工具链、中断控制 器、JVM、LLVM、Python 等开发者常用的软件工具也都在不断完善之中。一旦未来产业生 态构建完善,RISC-V 将大有可为。 1.3. RISC-V 在中国——是 RISC-V 指令集阵营的中坚力量 RISC-V 已获得众多国家支持,而中国则是 RISC-V 指令集阵营的中坚力量。目前,中国企 业阿里巴巴以及小米生态链公司华米科技是 RISC-V 基金会 19 个白金会员之一,华为、全 志科技、君正、乐鑫、芯来科技等企业和机构亦在 RISC-V 基金会的金、银和审计员队列中。 除了中国的众多企业、高校和机构加入 RISC-V 基金会之外,中国本土还建立起两大 RISC-V 联盟。2018 年 9 月,中国 RISC-V 产业联盟(CRVIC)正式成立,该联盟由芯原股份、芯 来科技、上海赛昉科技、杭州中天微、北京君正、兆易创新、紫光展锐、晶晨半导体、华大 半导体、上海集成电路行业协会等单位共同发起,其中芯原股份有限公司担任联盟首任理事 长单位。2018 年 11 月,中国开放指令生态(RISC-V)联盟(CRVA)在乌镇世界互联网大 会正式成立,成员包括北京大学、清华大学、华为、百度、紫光展锐、腾讯、华米科技、全 志科技、苏州国芯等系列高校、互联网巨头及半导体企业。 近两年,国内厂商相继发布多款基于 RISC-V 指令集的芯片产品,包括阿里巴巴、华米科技、 紫光展锐、兆易创新、芯来科技等。两大 RISC-V 联盟的成立以及多款芯片产品的推出,加 速推动了中国 RISC-V 产业化发展。虽然 RISC-V 生态尚不完善,但一方面基于 RISC-V 指 令集免费、精简、模块化、可扩展等优点,另一方面受当前充满不确定性的复杂国际环境影 响,RISC-V 指令集越来越受到中国芯片厂商的重视。 ![]()
与全球同时起跑,有望突破限制,实现自主可控。X86 和 ARM 已经发展成熟,且行业格局已经形成。RISC-V 作为一个较新的指令集,使得我国有了和全球一起起跑的机遇。近几年, 国内厂商已相继发布多款基于 RISC-V 指令集的芯片产品。同时,其免费、开源的特点有利 于我国突破西方限制,实现自主可控。
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