RISC-V能否和x86、Arm一起成為三大主流架構(gòu)？

不僅限于我國(guó)，各國(guó)都陸續(xù)將RISC-V架構(gòu)列為國(guó)家級(jí)發(fā)展規(guī)劃。作為一種開(kāi)源開(kāi)放、模塊化的架構(gòu)，RISC-V提供了自主創(chuàng)新和打造差異化的空間，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，被視作芯片架構(gòu)領(lǐng)域的“破局者”。那么，RISC-V對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)有哪些意義？呼嘯而至的AI時(shí)代，RISC-V又有哪些潛力？我們有理由相信RISC-V會(huì)在高端市場(chǎng)做大做強(qiáng)嗎？

<與非網(wǎng)>對(duì)話Imagination計(jì)算產(chǎn)品部副總裁Shreyas Derashri，Andes晶心科技董事長(zhǎng)暨執(zhí)行長(zhǎng)林志明，賽昉科技資深銷(xiāo)售總監(jiān)周杰，來(lái)探討這些答案。

“至少未來(lái)十年中國(guó)仍是最大市場(chǎng)”

RISC－V國(guó)際基金會(huì)去年披露，截至2022年，市場(chǎng)上量產(chǎn)的RISC－V處理器已經(jīng)達(dá)到100億顆，而其中50％來(lái)自中國(guó)。Imagination計(jì)算產(chǎn)品部副總裁Shreyas Derashri認(rèn)為，預(yù)計(jì)至少未來(lái)十年內(nèi)，中國(guó)仍將是 RISC-V的最大市場(chǎng)，領(lǐng)先于亞太其他地區(qū)和美洲。作為一種開(kāi)放架構(gòu)，RISC-V不僅僅是滿足日益增長(zhǎng)的計(jì)算需求的有效替代方案，而且在許多方面還將更勝一籌。

他看到全球正在出現(xiàn)一些公司，為目標(biāo)用例設(shè)計(jì)精確定制的RISC-V解決方案，這些CPU無(wú)需支持傳統(tǒng)代碼，就能帶來(lái)顯著的性能和面積優(yōu)勢(shì)。這更是帶動(dòng)了一股競(jìng)爭(zhēng)和創(chuàng)新熱潮——以功能性、高性能和協(xié)作性架構(gòu)為支撐，正在為計(jì)算市場(chǎng)帶來(lái)更多選擇，減少對(duì)傳統(tǒng)CPU的依賴(lài)。賽昉科技資深銷(xiāo)售總監(jiān)周杰告訴<與非網(wǎng)>，賽昉科技作為國(guó)內(nèi)RISC-V處理器IP供應(yīng)商的一員，之所以對(duì)RISC-V抱有如此高的熱情與期待，是因?yàn)榭吹搅艘粋€(gè)市場(chǎng)變化：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新變得更加民主化，同時(shí)，RISC-V的開(kāi)放性和可定制性也使我國(guó)能夠獨(dú)立開(kāi)發(fā)、部署滿足特定安全需求的芯片產(chǎn)品。

周杰認(rèn)為，越來(lái)越多的中國(guó)企業(yè)和機(jī)構(gòu)采用RISC-V，其生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)初具規(guī)模。隨著各行業(yè)不斷推出全新解決方案，將繼續(xù)推動(dòng)加速RISC-V商業(yè)化進(jìn)程。參照近兩年RISC-V在中國(guó)的發(fā)展進(jìn)程，RISC-V將會(huì)持續(xù)促進(jìn)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期增長(zhǎng)。

開(kāi)源的RISC-V，崛起之謎

開(kāi)源指令集并不是什么新鮮事物，不過(guò)，像Sparc、Power、MIPS等開(kāi)源架構(gòu)都是在熱鬧了一陣之后就趨于沉寂，為什么只有RISC-V短短幾年就得到了迅速發(fā)展？長(zhǎng)期來(lái)看，如何才能吸取“前車(chē)之鑒”？晶心科技董事長(zhǎng)暨執(zhí)行長(zhǎng)林志明指出了區(qū)別所在，“RISC-V技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)在于精簡(jiǎn)及模塊化，允許工程師快速實(shí)現(xiàn)新功能并創(chuàng)新。指令集的靈活性使得創(chuàng)新成為可能，例如工程師可自行添加客制指令，這與之前提到的其他開(kāi)源架構(gòu)有所不同?！?/p>

“RISC-V 在正確的時(shí)間出現(xiàn)在正確的地點(diǎn)，它的出現(xiàn)與人工智能時(shí)代的到來(lái)相吻合。人工智能刺激了所有設(shè)備類(lèi)型對(duì)計(jì)算性能的需求，從而鼓勵(lì)SoC設(shè)計(jì)師創(chuàng)造傳統(tǒng)計(jì)算的替代方法，無(wú)論是GPU、NPU 還是 RISC-V CPU。而RISC-V的快速發(fā)展是由于人們希望以更低的成本獲得更多的選擇和更好的性能”，Shreyas Derashri認(rèn)為這是RISC-V得以迅速繁榮的一個(gè)原因。此外，生態(tài)也是RISC-V得以持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。周杰認(rèn)為RISC-V的興起恰逢半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)開(kāi)源、低成本和可定制解決方案需求不斷增長(zhǎng)的時(shí)候，得到了一系列領(lǐng)先半導(dǎo)體公司、研究機(jī)構(gòu)和開(kāi)源社區(qū)的支持，“眾人拾柴”是其短期內(nèi)迅速發(fā)展的關(guān)鍵。相比之下，Sparc、Power、MIPS等開(kāi)源架構(gòu)由單家廠商推廣，缺乏廣泛的行業(yè)支持，生態(tài)系統(tǒng)較小，也因?yàn)榭啥ㄖ菩暂^低，在其他市場(chǎng)上的采用十分有限。Shreyas Derashri談到，正是因?yàn)镾oC 設(shè)計(jì)人員看到了開(kāi)放性處理器的短期和長(zhǎng)期市場(chǎng)效益，再加上RISC-V國(guó)際組織的有效管理，以及通過(guò) RISE等倡議團(tuán)結(jié)RISC-V周?chē)浖鷳B(tài)系統(tǒng)的共同努力，才促成了該架構(gòu)的成功。林志明也認(rèn)為，正是在全球熱心人士和專(zhuān)家大量投入及RVI的領(lǐng)導(dǎo)下，有秩序而有效率地組成大量的團(tuán)隊(duì)，才能迅速開(kāi)發(fā)和貢獻(xiàn)更多的開(kāi)源指令集，這在條件上也是優(yōu)于其他開(kāi)源架構(gòu)的。總結(jié)以往開(kāi)源架構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)：一方面，要推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)與ISA一起走向成熟，將確保其發(fā)展與應(yīng)用市場(chǎng)保持一致；另一方面，對(duì)于過(guò)去曾經(jīng)熱門(mén)的架構(gòu)開(kāi)源化，持續(xù)推廣并堅(jiān)持初衷是很重要的，RISC-V社群應(yīng)該持續(xù)觀察情況，制定對(duì)策。

AI是RISC-V進(jìn)階的階梯

AI正在變得無(wú)處不在，從智能手表到數(shù)據(jù)中心計(jì)算，每一臺(tái)設(shè)備都有望實(shí)現(xiàn)一定程度的智能化。從這個(gè)意義上說(shuō)，RISC-V 要想成為未來(lái)計(jì)算的可靠架構(gòu)，就必須實(shí)現(xiàn)人工智能。這同時(shí)也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閱我坏闹噶罴绾渭饶軡M足云計(jì)算對(duì)人工智能的高性能需求，又能滿足消費(fèi)類(lèi)設(shè)備對(duì)人工智能的低功耗、小面積需求？Shreyas Derashri談到，得益于RISC-V簡(jiǎn)化的架構(gòu)，與傳統(tǒng)CPU架構(gòu)相比，它具有更高的性能和更低的功耗，這是支持AI革命的一個(gè)良好起點(diǎn)。RISC-V作為一種模塊化、可擴(kuò)展的架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)32位和64位地址空間，設(shè)計(jì)人員可從一系列擴(kuò)展中進(jìn)行選擇，以支持高性能AI，包括從矢量操作到低精度浮點(diǎn)數(shù)格式；此外，該架構(gòu)的設(shè)計(jì)可使其根據(jù)需要隨時(shí)添加新的擴(kuò)展和地址空間，以支持不斷變化的應(yīng)用需求。林志明強(qiáng)調(diào)，AI是RISC-V的強(qiáng)項(xiàng)之一。由于AI應(yīng)用本身架構(gòu)尚未歸于一統(tǒng)，各種架構(gòu)仍在發(fā)展中，形成了一種百花齊放的現(xiàn)象。在這種情況下，RISC-V架構(gòu)允許使用者進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)引入了Domain-Specific Architecture (DSA) 的概念。

因此，許多AI領(lǐng)域的專(zhuān)家和公司都選擇采用RISC-V架構(gòu)來(lái)發(fā)展AI系統(tǒng)。確實(shí)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域日趨細(xì)化，一些廠商紛紛投身于針對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域做優(yōu)化的DSA，并以此形成核心技術(shù)，垂直領(lǐng)域的芯片定制化被認(rèn)為是未來(lái)的趨勢(shì)。那么，RISC-V廠商如何通過(guò)差異化定制獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)？周杰表示，根據(jù)特定應(yīng)用設(shè)計(jì)芯片，能極大提升芯片能效比并降低通用芯片中軟件開(kāi)發(fā)成本。不過(guò)挑戰(zhàn)也有，一方面在于廠商需要具備強(qiáng)大RISC-V軟硬件研發(fā)實(shí)力，另一方面在特定領(lǐng)域尚未形成規(guī)?；纳虡I(yè)閉環(huán)。Shreyas Derashri認(rèn)為，傳統(tǒng)架構(gòu)往往因?yàn)橥ㄓ眯誀奚颂厥庑裕ㄖ菩酒梢詾樘囟☉?yīng)用提供更高的性能、更低的功耗和更小的面積，由于RISC-V的特性，任何公司都可以比以往任何時(shí)候都更快地開(kāi)發(fā)出這些芯片。

不過(guò)需要注意的是，設(shè)計(jì)人員要注意軟件兼容性。軟件社區(qū)是根據(jù)RISC-V規(guī)范而不是個(gè)別實(shí)施方案進(jìn)行調(diào)整的，因此，不加考慮的定制可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)環(huán)境面臨挑戰(zhàn)并影響銷(xiāo)售。

RISC-V能否在高端市場(chǎng)做大做強(qiáng)？

“商業(yè)上具備開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)上擁有靈活的架構(gòu)，讓廠商可以按照應(yīng)用去設(shè)計(jì)最合適的芯片。而高性能應(yīng)用定義芯片，更能釋放垂直整合的價(jià)值，也是RISC-V帶來(lái)的最大的機(jī)會(huì)，可以說(shuō)高端市場(chǎng)是RISC-V發(fā)展的必然” ，周杰認(rèn)為。在他看來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，中國(guó)算力規(guī)模急劇增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心作為算力底座，匯聚了各方資源，各架構(gòu)處理器也正在向高性能、低功耗方向升級(jí)。數(shù)據(jù)中心是RISC-V最具前景的應(yīng)用場(chǎng)景之一，RISC-V將有望在數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)率先落地。從技術(shù)趨勢(shì)看，數(shù)據(jù)中心將延續(xù)非傳統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)器的發(fā)展趨勢(shì)。為提高處理大規(guī)模并行任務(wù)的能力，下一代高性能計(jì)算芯片已呈現(xiàn)出以“多核”和“眾核”為主的趨勢(shì)，并逐步進(jìn)入“眾核時(shí)代”。眾核處理器可以支持更多的并行任務(wù)和更大的數(shù)據(jù)集，而基于RISC-V的眾核處理器設(shè)計(jì)路線將為高性能算力芯片提供更大的想象空間。根據(jù)周杰的說(shuō)法，在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景，2024年會(huì)有多款RISC-V芯片落地。林志明也認(rèn)為，RISC-V有機(jī)會(huì)在更多市場(chǎng)中取得更大份額，包括HPC、超算、汽車(chē)和數(shù)據(jù)中心，RISC-V將能夠在這些應(yīng)用領(lǐng)域提供更廣泛的支持。“RISC-V 在高性能市場(chǎng)將大有可為，目前已經(jīng)有一些公司在該領(lǐng)域進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)甚至實(shí)現(xiàn)落地”，Shreyas Derashri談到，在圣克拉拉舉行的RISC-V峰會(huì)上，阿里巴巴、算能科技以及山東大學(xué)，就聯(lián)合展示了RISC-V在云計(jì)算領(lǐng)域的首次商業(yè)應(yīng)用。

此外，他認(rèn)為汽車(chē)CPU是一個(gè)值得進(jìn)入的市場(chǎng)，因?yàn)槌诵阅芤笸?，還要求功能安全。國(guó)際公認(rèn)的ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)對(duì)此做出規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)處理的功能或車(chē)輛的情況，對(duì)故障處理和故障管理提出了要求。目前，功能安全 RISC-V CPU 的開(kāi)發(fā)已列入Imagination Catapult 系列產(chǎn)品路線圖中。

碎片化——真風(fēng)險(xiǎn)還是偽命題？

理性看待RISC-V的AB面，其開(kāi)放性其實(shí)也在一定程度上催生了各種擴(kuò)展和變體的開(kāi)發(fā)，從而滿足特定應(yīng)用程序和市場(chǎng)的需求。那么，該如何看待RISC-V的“碎片化”？它是必經(jīng)過(guò)程，還是要盡力避免的重大挑戰(zhàn)？“對(duì)于RISC-V的碎片化風(fēng)險(xiǎn)，這既是一種不可避免的現(xiàn)象，又是一個(gè)需要管理的重大挑戰(zhàn)”，周杰認(rèn)為。Shreyas Derashri表示，RISC-V向任何想要為任何市場(chǎng)設(shè)計(jì)CPU解決方案的公司開(kāi)放計(jì)算創(chuàng)新，這種創(chuàng)新和創(chuàng)造力必須得到培養(yǎng)和鼓勵(lì)；但是，只有當(dāng)各個(gè)公司的創(chuàng)新所基于的基礎(chǔ)架構(gòu)是一致的、可信賴(lài)的，這種創(chuàng)新和創(chuàng)造力才會(huì)成功。產(chǎn)業(yè)界目前已有相關(guān)機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行規(guī)范管理，例如RISC-V 國(guó)際基金會(huì)，包括4000多家合作方成員，始終強(qiáng)調(diào)遵守監(jiān)管框架的重要性，組織開(kāi)發(fā)和維護(hù)指令集架構(gòu)，運(yùn)營(yíng)RISC-V國(guó)際認(rèn)證，以確保任何基于RISC-V的實(shí)現(xiàn)符合規(guī)范。此外，國(guó)內(nèi)在2023年成立了RISC-V工委會(huì)，鼓勵(lì)聯(lián)盟內(nèi)的協(xié)作和溝通，以解決生態(tài)碎片化問(wèn)題，引導(dǎo)國(guó)內(nèi)RISC-V產(chǎn)業(yè)從無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)走向協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)架構(gòu)的持續(xù)發(fā)展?！霸谖铱磥?lái)，‘碎片化’是RISC-V所面臨的一個(gè)假議題，或者說(shuō)，所謂的碎片化程度并未達(dá)到所聲稱(chēng)的嚴(yán)重程度。同時(shí)需要澄清的是，RISC-V的指令集是無(wú)法任意更改的，可隨意修改和擴(kuò)充的說(shuō)法并不正確”，林志明強(qiáng)調(diào)。他認(rèn)為，在RISC-V模塊化的基礎(chǔ)上，使用者可以添加特定的指令。然而，必須要注意的是，這些模塊化指令集的掌控權(quán)在RISC-V國(guó)際基金會(huì)的技術(shù)委員會(huì)中，由多個(gè)工作組負(fù)責(zé)。這些指令集，如浮點(diǎn)運(yùn)算、矢量和所有的RISC-V指令集等等，是不可修改的，使用者在使用時(shí)必須完全遵守RVI所定義的指令集，才能被視為兼容。

那么，用戶(hù)如何添加指令呢？RISC-V制定了一個(gè)接口規(guī)格，允許用戶(hù)在嚴(yán)格的規(guī)范下添加指令。這種方式確保了用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)的指令不會(huì)被他人使用，同時(shí)在整體RVI所制定的模塊化指令集上保持兼容性。

與x86、Arm三分天下，生態(tài)是制勝關(guān)鍵

除了尋求高端市場(chǎng)發(fā)展、規(guī)避過(guò)度碎片化的潛在風(fēng)險(xiǎn)，RISC-V與x86、Arm三分天下的關(guān)鍵最終還是有賴(lài)于生態(tài)的搭建。從歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，下游用戶(hù)對(duì)于具體使用哪種內(nèi)核可能不會(huì)特別在意，他們看重的往往是生態(tài)系統(tǒng)的豐富程度、易用性、安全性、設(shè)計(jì)門(mén)檻的高低，這其實(shí)也是RISC-V需要持續(xù)成長(zhǎng)的方向。當(dāng)前，在快速的崛起過(guò)程中，RISC-V軟件生態(tài)也呈現(xiàn)出勃勃生機(jī)，正在從可用向好用、易用進(jìn)步，軟件生態(tài)不斷豐富，安全性不斷提升，應(yīng)用門(mén)檻不斷降低。“發(fā)展RISC-V軟件，前提是要有能穩(wěn)定量產(chǎn)交付的芯片硬件產(chǎn)品，不斷適配應(yīng)用場(chǎng)景的軟件需求；其次，芯片廠商要發(fā)揮垂直整合的優(yōu)勢(shì)，參與到芯片生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建中，例如操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)環(huán)境、中間件、應(yīng)用軟件等，都需要芯片原廠發(fā)揮力量”，周杰表示，他以賽昉高性能RISC-V多媒體處理器昉·驚鴻-7110（JH-7110）的落地為例介紹說(shuō)，通過(guò)軟件的優(yōu)化進(jìn)一步提升了性能和穩(wěn)定性，促進(jìn)了在客戶(hù)項(xiàng)目中的落地。此外，在應(yīng)用實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)強(qiáng)大的系統(tǒng)和工具適時(shí)解決用戶(hù)問(wèn)題、優(yōu)化用戶(hù)體驗(yàn)，也是得以持續(xù)推進(jìn)的關(guān)鍵。以Andes晶心科技為例，已經(jīng)推出了20多套R(shí)ISC-V處理器IP和上百件對(duì)應(yīng)資源的軟件，包括各種軟件庫(kù)、驅(qū)動(dòng)程序、以及完整的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和工具環(huán)境。能夠?yàn)椴煌膽?yīng)用提供不同的生態(tài)系統(tǒng)支持。

再比如Imagination，Catapult CPU產(chǎn)品線在上市前都經(jīng)過(guò)了全面優(yōu)化和廣泛測(cè)試。隨著 RISC-V ISA 的發(fā)展，還設(shè)計(jì)了符合 RISC-V ISA 的解決方案。其CPU 在交付時(shí)都配備了功能齊全的SDK，其中包括基于LLVM的編譯器和C運(yùn)行時(shí)庫(kù)。

寫(xiě)在最后

在半導(dǎo)體全行業(yè)對(duì)開(kāi)源、差異化、可定制解決方案需求不斷增長(zhǎng)的時(shí)候，在AI迫切需要算力芯片加速創(chuàng)新的時(shí)候，RISC-V迅速崛起。正如春雨初生、春林初盛，正如風(fēng)好時(shí)揚(yáng)帆競(jìng)逐，RISC-V呈現(xiàn)出蓬勃的態(tài)勢(shì)。隨著技術(shù)的發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的不斷完善，RISC-V有望在中國(guó)乃至全球芯片產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)全球半導(dǎo)體創(chuàng)新發(fā)展。