中國目前有大約300家以上的公司都在關注或以RISC-V指令集進行開發,2018年還先後成立了「中國RISC-V產業聯盟」和「中國開放指令生態系統(RISC-V)聯盟」,因此很多人會自然而然的認為RISC-V架構與產品的推動力量更可能來自中國。

但與此同時,也有批評者認為整個中國RISC-V陣營看似繁榮的背後,其實是當前產業盲目追求政績的「短平快(編按:貶稱只求速度不求品質的意思)」風氣的體現——聯盟數量多,社群貢獻少;行銷造勢多,前瞻研究少。RISC-V產業現狀與前景怎樣?還存在哪些缺點?中國會不會因為RISC-V迎來新機遇?RISC-V基金會中國顧問委員會主席方之熙日前就上述一系列關鍵問題接受了《電子工程專輯》中國版的獨家專訪。

EETC:為什麼中國市場對採用RISC-V架構有如此高的熱情?RISC-V對中國半導體產業來說又有哪些方面的意義?

方之熙:「中國芯」一直是一個很熱的話題,政府、產業、基金、市場都非常有興趣想去瞭解RISC-V指令集會給他們的產品和商業模式帶來哪些影響。另一方面,晶片產業涉及的領域極廣,從感測器、影像/音視訊處理,到5G通訊、GPU、人工智慧(AI),再到最頂層的CPU。然而從中國的實際情況來看,在CPU方面投資巨大,但投資效率不高,甚至事倍功半,所以當開放原始碼免費的RISC-V指令集出來之後,產業界自然對其抱有極大的期望。

我在晶片產業工作了幾十年,深知生態系統建設的重要性。從PC時代的WinTel聯盟,到智慧型手機時代的Arm+Android,都是如此。後來者並非產品本身不好,更多是難以撼動既有生態系統的優勢,只能亦步亦趨的跟隨,很難成功。但RISC-V正好是具備開放屬性的,是封閉、獨家指令集的最好替代品。對中國企業來說,使用RISC-V指令集既能和國際接軌,不閉門造車,又沒有「Me Too」的限制,所以無論從技術還是商業角度來看,RISC-V在中國是有可能成功的,這對中國相關產業的意義十分巨大。

EETC:對於任何新技術,特別是一項開放標準,人們總是會問「時機已經成熟了嗎?」這樣的問題。那麼,RISC-V目前處於什麼階段呢?RISC-V最具前景的應用場景有哪些?

方之熙:RISC-V指令集從技術層面來講已經比較成熟了,相比x86和Arm,它沒有歷史包袱,是一個非常精簡漂亮的系統架構。簡單來說,RISC-V指令集基本分為四類:以開放原始碼指令集體系結構(ISA)為代表的核心指令集、ISA中的可選擇指令集、使用者指令(Customer Instruction)和系統指令(也被稱作「特權指令」),支援包括圖形引擎、機器學習和人工智慧、網路、儲存、安全性、嵌入式和通用型處理器在內的多種應用程式。接下來,隨著RISC-V生態系統的不斷擴大,其開發工具、FGPA軟核心、IP和設計服務也會不斷增多,還將支援更多作業系統。

目前,有很多企業和初創企業把RISC-V指令集運用在創新的產業應用中,也有學術機構和政府資助專案把RISC-V指令集應用到其他有趣的領域。在我看來,主要會集中在以下四大領域:

˙物聯網。物聯網屬於高度碎片化的市場,但它對軟硬體生態系統的要求不像手機、PC和伺服器晶片那麼高。而且不同於當下最流行的Arm架構,一些中小型公司完全可以從實際應用出發向RISC-V指令集中添加新的指令,但這對Arm 來說就很難。

˙RISC-V控制器。以Western Digital、Nvidia最具代表性,他們會在自己的產品中內嵌一個RISC-V CPU來降低成本和功耗,提高安全性和靈活性。

˙資料中心。主要用於加速、深度學習,更強調對應用場景的定制化設計。

˙增量市場。以智慧音箱、智慧家居產品最具代表性,這一類應用更強調「邊緣運算」能力,對靈活性要求高,遇到市場和技術變化要求能夠及時做出調整。

RISC-V指令集目前對於手機、PC和刀鋒伺服器(Blade Server)市場來說還是遠遠不夠成熟的,它更適合碎片化市場。從創始人Patterson和Hennessy最近發表的文章來看,他們認為CPU已經演進到加速處理單元(Accelerated Processing Unit;APU)階段,使用者需要根據不同的應用來設計不同的系統架構,從這個角度來看,RISC-V無疑是非常優秀的指令集架構。

EETC:RISC-V指令集的生態系統、晶片/系統開發人員的平台選擇、安全性、軟體、投資等問題是否得到了很好的解決?

方之熙:RISC-V基金會目前擁有超過210名企業、學術和個人會員,使命是保護「RISC-V指令集是全產業的單一指令集」的神聖性,並鼓勵全球應用RISC-V指令集標準。2018年11月,RISC-V基金會還宣佈成立中國顧問委員會,指導RISC-V基金會在中國的教育和應用戰略,並與中國企業、個人貢獻者,以及其他利益相關者密切合作,以加快RISC-V指令集在中國市場的應用。截至目前,RISC-V基金會在中國的業務已經擴展至超過25個企業和大學。

但RISC-V的系統指令、特權指令裡沒有安全指令,相比Arm TrustZone、英特爾(Intel)SGX、AMD SME/SEV來說是有欠缺的。所以RISC-V基金會最近成立了RISC-V安全常務委員會,主要圍繞基於RISC-V指令集的物聯網設備、嵌入式系統和機器學習等應用討論潛在的安全改進方案。考慮到安全問題比較敏感,基金會傾向於在保留基本架構的前提下,將安全指令的具體定義權下放到各個國家。

資金和軟體方面的問題,RISC-V是一個開放原始碼架構,RISC-V基金會是一個非營利組織,目前在上面運作的只是GCC、Linux等基本軟體,缺少系統級軟體的支援,這個問題需要解決,RISC-V基金會董事會成員和會員公司也都意識到了這一點。雖然最近重點增加了對嵌入式和運算發行版本的Linux作業系統支援,比如與Linux基金會合作,透過改善對所有運算平台新應用程式和架構開發的支援,發展壯大RISC-V的生態系統,但要支援更多的系統軟體,離不開各國政府和企業的資金支持。

EETC:開放原始碼指令集並不是什麼新鮮事物,但為什麼只有RISC-V在短短幾年時間內得到了迅速發展?Sparc、Power、MIPS等開放原始碼架構都是在熱鬧了一陣之後又趨於沉寂,有人認為RISC-V可能也會走同樣的道路,會出現這種情況嗎?

方之熙:坦白說,開放原始碼硬體以前一直沒有成過氣候,留給人們的印象總是,「這家公司一定要到快不行的時候,沒辦法,不得不開放原始碼。」再加上它們往往背著沉重的歷史包袱,所以對CPU設計者來說缺乏吸引力,但RISC-V顯然不是這樣,它就是為開放原始碼而生。

從我個人的觀點來看,RISC-V指令集如果不犯很大錯誤的話,這個架構應該就是硬體和CPU的未來,RISC-V生態系統將為未來50年的運算設計和創新發展鋪平道路。特別是伴隨著人工智慧和深度學習的普及,物聯網系統的設計已經遠不是「無線連接+通訊晶片+Arm處理器」這麼簡單,它將更加智慧、靈活,這很符合RISC-V的設計初衷。而且對廣大中小型公司來說,RISC-V指令集已經得到了Synopsys/Cadence等設計公司的支援,採用Verilog等高階語言而不是組合語言編寫,大幅減少了設計的複雜度和工作量,提高了效率,加速了產品上市時間。

EETC:過去Arm為了防止碎片化,嚴格禁止使用者修改指令集,這在一定程度上成就了Arm。但在物聯網時代,RISC-V的支持者認為需求越差異化,開放原始碼工具越流行,指令集碎片化所帶來的影響就越小;而反對者則認為指令集開放原始碼,大大降低了進入門檻,很容易造成碎片化和分裂。您對此有怎樣的看法和評論?

方之熙:這兩種觀點都有道理。反對者也是從英特爾或者Arm的經驗來看,碎片化的確會造成它們「發展不上去」。RISC-V的策略是建立一個簡易的小型指令集基礎和模組標準擴展,適用於大多數程式碼,同時為不干擾標準指令集核心的應用特定擴展留出足夠的空間。RISC-V的其中一個關鍵好處是——這是產業中的單一RISC-V標準,因此我們預計不會有人對指令集碎片化有興趣。RISC-V基金會的技術委員會擁有一個活躍的合規工作組,負責開發開放原始碼RISC-V指令集合規套件,以供所有RISC-V應用者使用,驗證指令集的合規性。但這種分割形式能不能取得成功?可能要看RISC-V後續的運作情況。

目前為止,很嚴重的碎片化問題還沒有發生,但隨著產業和技術的進一步發展,這種可能性是不能被排除的。因此這給RISC-V基金會帶來了挑戰,既要盡可能的讓RISC-V順利、靈活的發展,同時還要防止碎片化,這個「度」的掌握很不容易。我同意反對者的意見,就是開放原始碼容易產生碎片化;但我不同意的,是「它一定會產生碎片化」,因為如果處理的好,這一現象是可以避免的。

EETC:不論是英特爾還是Arm,他們的成功絕不是僅僅只因為技術。所以,如果RISC-V想成為下一個在這個領域獲得成功的巨頭,那麼它一定不能複製英特爾和Arm的商業模式。那麼,RISC-V的商業模式是什麼?

方之熙:RISC-V一定不能複製英特爾或是Arm的商業模式,我完全同意。但將來RISC-V的商業模式是什麼?這個問題其實目前還沒有答案。但其實也不必為此感到過於悲觀,就好像PC誕生之初,誰也無法想像後來英特爾會和微軟結合產生巨大效應;智慧手機誕生之初,各式各樣的作業系統會被Android和iOS統一。所以只要它是市場真正需要的,領頭羊式的企業就會誕生,新的商業模式就會誕生。

EETC:您在之前的採訪中也曾談到,市場上有廠商利用RISC-V架構單獨設計或者生產了CPU/MCU晶片,也有像Nvidia、Western Digital這樣的廠商在自己的產品或者解決方案中嵌入一個RISC-V CPU來降低成本、提高靈活性和競爭力。所以,對於如何正確使用RISC-V架構,您有哪些好的建議?

方之熙:是的,開放原始碼項目參與人多,RISC-V的晶片形態也就會有很多,我們鼓勵RISC-V基金會的會員以合適的方式去使用RISC-V指令集。所以有的公司在大型SoC中使用RISC-V控制器,有的則使用RISC-V作為主處理器,RISC-V基金會致力於讓每家公司最大限度地應用RISC-V指令集。但中國和美國市場還是存在差異的,我們更擅長「集中力量辦大事」,所以如何將開放原始碼的RISC-V指令集與中國具體實踐相結合,揚長避短,是非常值得考慮的一件事。

EETC:對商業公司來說,從得到指令集到推出得到大量使用者認可的產品並非易事。這是否意味著只有具備出色設計能力的公司才有可能從開放原始碼的RISC-V架構收益?是否只有RISC-V才能實現中國國產自主的指令集架構?

方之熙:的確如此,得到指令集只是第一步,接下來還要完成從指令集定義到CPU微架構設計,到整個晶片的設計和相應軟體、工具鏈的開發和維護,以及在上面執行的作業系統,豐富的函式程式庫和應用程式等一系列複雜的流程。對一家晶片公司來說,它的設計要求比Arm要高,做的好壞,取決於公司的研發實力。

但反過來看,物聯網市場上使用Arm架構已經導致同質化設計十分嚴重,紅海一片。RISC-V的優勢在於利用簡單且可擴展的指令集提供更高效的硬體,讓企業減少實施和驗證的工作量。RISC-V的免費、開放原始碼模式免除了昂貴的指令集許可費,未具備自主設計SoC能力的企業可以使用協力廠商IP或設計服務公司來開發RISC-V設備,這對中小型公司而言尤為重要,也給那些不想使用X86和Arm架構的CPU設計公司提供了新的選擇。

不過,開放原始碼硬體不是開放原始碼軟體,不是拿來就能用的,指令集架構授權和CPU核心授權也不是同一回事。沒有設計能力,就要逼自己去不斷學習和提升。一家真正優秀的CPU公司,必須要有自己設計晶片的能力,所以不管是英特爾、Arm、高通(Qualcomm)、海思,它們這方面都做的很好。這不是憑藉運氣,而是因為他們的確花了很多的努力,培訓了一代又一代的人來做這些事情。

本文為姊妹刊EE Times China原創文章