千萬量級的PC時代造就了WinTel聯盟,10億量級的Mobile時代造就了Arm/Android聯盟。到了千億量級的人工智慧+物聯網(AIoT)時代,會造就什麼樣的聯盟呢?RISC-V+Linux有希望嗎?

IC-IP-ISA時代變幻,開放才是制勝法寶

不同的時代,其軸心也在轉移和下沉。從PC時代的中央處理器(CPU)晶片,到智慧型手機時代的應用處理器(AP)IP(微處理器核心),再到接下來AIoT時代的電腦指令架構(ISA),主角在變換,但開放是始終不變的主旋律。誰以開放的心態擁抱新時代,誰就能夠站在時代舞台的中心而稱霸。

上世紀90年代,微軟(Microsoft)的Windows 95橫空出世,背後有英特爾(Intel)的x86系列CPU驅動,橫掃PC市場,連蘋果(Apple)都差點被搞到破產,多虧賈伯斯(Steven Jobs)回歸,主動與比爾蓋茲(Bill Gates)示好合作,憑藉創新的iMac和iPod才得以重振雄風。IBM兼容機雖然實現了IBM的開放心態,但卻培養出康柏電腦(Compaq Computer)、宏碁(Acer)、HP和聯想(Lenovo)這些勁敵,最終不得不賣掉PC業務,透過轉型到服務來保住產業領導地位。現在回頭看,PC時代最有價值的核心不是PC機,而是OS(軟體)和CPU(硬體)。微軟的霸主地位造就了世界首富自不必說,英特爾CPU也幾乎獨霸市場,讓同樣採用x86架構的AMD幾十年來一直做「underdog」,始終活在英特爾的陰影下。

進入行動網際網路時代,智慧型手機成了主戰場。雖然iPhone一枝獨秀,眾多Android手機廠商緊緊跟隨其後,但從OS的角度來看,Android無疑是最大的贏家。從2009~2018年,iOS的市場佔有率始終保持在15%左右,而Android則從2009年的8%,增長到現今的85%。單從技術和用戶體驗來說,Android也許趕不上iOS,但開放的模式造就了Android。

再看Android的硬體搭檔Arm,一個不賣晶片只賣微處理器核心IP的小公司卻最有話語權。其制勝法寶是什麼?以開放的心態構建一個生態圈,授權核心IP給晶片廠商,讓他們去競爭,為自己開拓市場,就像Windows Phone敵不過Android一樣,英特爾的行動CPU也敵不過Arm。

20190403NT61P1 圖1 在不到10年的時間內,Android平台在智慧型手機市場的份額從8%增長到85%。(資料來源:Gartner & Statista)

到了 AIoT的時代,哪個聯盟會稱霸呢?

UC- Berkeley「Copy Center」的一顆明珠

在這個智慧連網設備規模達到千億量級的AIoT時代,筆者認為其軸心不是晶片,也不再是IP,而是ISA。在AI、IoT和5G三股技術力量的聚合驅動下,任何產業和應用場合都會受到衝擊,從個人隨身攜帶的智慧設備,到家用電器和家居,再到工業設備和工廠的機器人,甚至城市交通和安防,都將發生徹底的變化。

任何一家公司都沒有能力憑藉一個產品,像PC和智慧型手機時代那樣獨霸市場。然而,不同時代也不是截然分開,而是循序漸進的。英特爾到現在仍然是全球最大的晶片公司,而RISC架構也已佔據99%的市場。

RISC-V不但是最新版本的RISC架構,也吸取了幾十年來電腦發展過程中各種架構的經驗和教訓。從品質和技術性能上看,相比其他ISA已經有相當優勢了。又加上它的「開放」DNA,有業者認為以RISC-V為核心的生態圈將成為新時代的主導者。

在全世界研究型大學中,學術思想最自由開放的莫過於加州大學柏克萊分校(UC-Berkeley)。源自該校的BSD協定(Berkeley Software Distribution license),是開放原始碼軟體社區使用最廣泛的授權合約之一。BSD開放原始碼協議給予使用者很大自由,基本上可以「為所欲為」,比如可以修改原始程式碼,也可以將修改後的程式碼作為開放原始碼或者專有軟體再發佈。限制最嚴格的專有軟體有著作權(copyright)保護,如果可以稱為「版權右派」的話;另一個極端是GNU通用公共許可(GPL),可以稱為版權左派(copyleft),遵從GPL協定的軟體也要開放才行。相比左派和右派的限制要求,BSD許可最為寬鬆,被稱為是版權中間派(Copy Center)。當然,你也可以將之翻譯為「複印中心」,拿著原始程式碼想拷貝多少都可以。

同樣出自柏克萊的RISC-V自然也遵從BSD協議。這意味著,基於RISC-V ISA開發的核心IP或相關晶片開發工具既可以免費開放原始碼,也可以專有收費。電腦科學大師和RISC之父David Patterson對RISC-V的貢獻也不容忽視,他還預言接下來的10年將是電腦架構的黃金時代,而RISC-V作為學術界和產業界合作的結晶,最有希望成為新時代的主導架構,甚至成為未來50年的基礎電腦架構。

AIoT的四大要素

人工智慧與IoT的融合將開創一個新的AIoT時代,這是繼PC時代、智慧型手機時代之後的又一個黃金時代。據Gartner預測,到2020年將有超過200億個IoT設備聯網。工研院研究報告也指出,AIoT晶片市場預計到2025年將達390億美元,年複合成長率高達20%。

AIoT的發展需要四大要素,即AI演算法、IoT安全、系統單晶片(SoC),以及服務平台。其中 SoC是智慧連網設備的硬體基礎,每一個IoT設備都需要使用低功耗的嵌入式CPU晶片,而AI相關應用也需要嵌入式CPU進行端點運算,才能建構完整的AIoT應用。而基於RISC-V的微處理器核心加上端點運算IP,將成為低功耗AIoT應用的最佳解決方案。

在最近舉行的Andes RISC-V Con研討會上,晶心科技總經理林志明向數百位參加會議的IC設計業者展示了AIoT的各種應用場景,以及RISC-V如何驅動這些未來場景的實現。他認為,RISC-V開放架構可以讓IC設計業者依照各自的需要來增加專用指令集,進而針對消費電子、通訊與IoT、電腦運算與儲存、工業應用與影像監控等領域,推出具備端運算或AI運算能力的嵌入式CPU,以強化相關應用領域的效能,也借此為廠商創造利基與商機。

「軟硬兼施」才能成就霸業

無論PC還是智慧型手機,都需要人機互動,要有人的參與才能完成特定的功能。而未來的AIoT應用將進入一種「無人」經濟的環境,從設備的智慧連網到無人機和無人駕駛,很多應用將不再需要人的參與。要隨時隨地實現這樣的應用,單靠硬體是不行的;RISC-V硬體架構還需要OS和軟體的配合才行。開放原始碼的Linux與RISC-V天生是一對好友,軟硬結合必將發揮出無限潛能。

身為RISC-V的監管機構和推廣者,RISC-V基金會也認識到了這一點,並於去年11月份宣佈與Linux基金會達成合作協定,借助後者積累多年的開放原始碼生態建設經驗和全球龐大的Linux開放原始碼社區,從技術開發和市場推廣等多方面展開合作,以期加速RISC-V在全球的普及,並得到Linux的軟體平台支援。

一項由Eclipse基金會組織的 IoT開發者調查發現,無論是IoT終端設備還是閘道,開發者首選的IoT OS都是Linux。

20190403NT61P2 圖2 Linux是IoT設備開發者首選的OS。(資料來源:Eclipse基金會)

Linux也有專門針對嵌入式應用的版本和項目,Zephyr就是一種小型的開放原始碼RTOS,RISC-V和Linux基金會已經在這一項目上展開合作。同時,各種針對或相容RISC-V架構的Linux基礎工具和平台也在加緊開發和測試中,相信會有更多的開放原始碼開發者參與,軟硬兼施,形成一股強大的開放原始碼力量。

競合與生態

RISC-V基金會現已有200多個會員,除了Google和高通(Qualcomm)等大公司外,還有不少圍繞RISC-V生態而生存的初創公司。而在台灣和大陸市場,芯原、晶心和芯來科技等都是十分活躍的RISC-V推動者。RISC-V基金會每年在全球多個城市舉辦RISC-V研討會和講座外,而位於矽谷的SiFive及晶心可說是RISC-V基金會的左膀右臂。

SiFive創始團隊就是RISC-V的「創造者」,在RISC-V標準指令集和多個擴展規範的制定中都起了關鍵作用。除了提供開放原始碼和商用的核心IP外,SiFive還搭建起可快速實現晶片設計到流片的雲端平台,其DesignShare也是聯合合作夥伴共同構建RISC-V生態的重要項目。

在亞太地區,特別是台灣和中國,晶心是RISC-V最熱心的「佈道者」,要將這一「自由、開放和免費」的「ISA福音」分享給個人、組織、企業和學校。晶心不但是RISC-V基金會的創始會員,也是中國RISC-V產業聯盟和台灣RISC-V聯盟的發起會員,在聯合業界同仁共同推廣普及RISC-V方面不遺餘力。

晶心是一家專注於嵌入式CPU核心IP開發的台灣上市企業,14年來其IP已經嵌入到35億顆晶片中,單2018年採用其IP的晶片出貨量就達到10億顆。基於RISC-V的Andes V5系列處理器核心包括:針對通用或浮點運算應用的32/64位N25F/NX25F;針對Linux應用的A25/AX25;帶DSP指令擴展的32/64位多核A25MP/AX25MP;以及針對入門級MCU應用的深度嵌入式處理器核心N22。

20190403NT61P3 圖3 晶心與芯來科技聯合開發的N22核心是最簡單、最小型的MCU。

基於RISC-V架構的AndesCore N22是晶心科技與芯來科技合作開發的處理器核心IP,適用於IoT和嵌入式低功耗領域,以及對即時性有較高要求的控制領域等。據晶心技術長蘇泓萌稱,N22是晶心AndeSertified專案的首次嘗試,不但結合了RISC-V初創公司芯來科技的處理器核心開發經驗,而且也將借助晶心的開發工具和銷售服務網路推向全球市場。

為了凝聚更多RISC-V相關開發工具和服務合作夥伴,共同建設RISC-V生態,晶心去年啟動了EasyStart專案。該專案目前已經有15家合作夥伴,都是晶片設計工具和服務的專業公司,分別來自台灣、中國、韓國、日本和歐美等地區。這些合作夥伴的技術專長涵蓋90nm到10nm的晶圓製程,以及SoC設計和交鑰匙服務等。他們將基於Andes V5系列處理器核心為各自的客戶提供完整的RISC-V設計服務方案。

在RISC-V陣營內,晶心和SiFive各自都在構建自己的生態圈。當筆者問及這是否會引起商業競爭衝突時,林志明以一個詞回答:競合。他進一步解釋,晶心和SiFive在合作中有競爭,在競爭中有合作。比如,兩家公司在RISC-V標準規範的制定上相互合作,分享各自的技術專長,這種合作的目的是攜手對抗Arm及其他同類ISA,以便在AIoT這個萬億市場將RISC-V的蛋糕做大,這樣每家才能吃到足夠的份額。

如果大家只盯著眼前那一點蛋糕,計較得失,就難以將蛋糕做大,到頭來誰也吃不飽。從戰略層面,更多的是合作,而從日常運營和銷售的層面,確實存在競爭,畢竟每家公司都要有design win才能生存。特別是在對RISC-V情有獨鍾而且發展空間巨大的中國市場,晶心、SiFive和其他公司也都希望抓住更多份額。

至少在目前階段,RISC-V相對於Arm和x86還比較弱小。RISC-V陣營還是比較同心協力,一致對外,合作也好,競爭也罷,開放永遠是時代發展的主旋律。唯有開放才是真正的制勝法寶,誰認清這一點並認真執行,誰就能成為AIoT時代的主導者。

結語

PC、行動和AIoT時代會分別造就不同的聯盟霸主,從晶片到核心IP,再到ISA,硬體的核心在逐漸下沉。在已經來臨的AIoT時代,RISC-V+Linux能否成為新的聯盟霸主,還要看參與者如何玩法。無疑,晶心和SiFive是兩家最得力的RISC-V推動者,他們在「競合」中能否攜手做大RISC-V這塊生態蛋糕,將決定著未來10年AIoT的市場動態。對中國的IC設計公司來說,如何把握趨勢和機會,在參與、貢獻和競爭中發展壯大呢?也許戰略和戰術各有千秋,但開放的心態無疑是制勝的必要條件。

本文為姊妹刊EE Times China原創文章