2010年,RISC-V專案創始人David Patterson、Andrew Waterman、Yunsup Lee和Krste Asanovic開始思考,既然在網際網路、作業系統、資料庫、編譯器、影像等產業都有開放的標準、免費及開放的實現方式和私有化的實現方式,那麼有沒有可能在處理器IC領域也打造一個真正開放、免許可、免授權費用指令集架構?未來,能否用模組化IC或者是用軟體定義硬體的理念,輔之以社區的方式,去設計和維護相關標準?在這一背景下,RISC-V專案應運而生。

而截至今年7月,RISC-V基金會已經吸引178家企業及研究機構加入,成員總數超過327家,來自全球28個國家,覆蓋了全球52%的人口,而且還在持續擴張中。其中,來自大中華區的企業、研究機構及大專院校的數量達36家,佔整體同類數量的20%。

20190821NT61P1 大中華地區RISC-V基金會成員。

商業公司ISA的浮浮沉沉

在RISC-V出現之前,歷史上已經出現過多種指令集架構(ISA),比如DEC(PDP-11、VAX、Alpha)、英特爾(i960、i860、Itanium)、IBM 360、MIPS、SPARC、Arm等,各自命運跌宕起伏。其中,IBM 360指令集架構擁有超過50年的歷史,是現存最老的指令集架構,得益於良好的軟體生態,IBM目前仍能夠銷售大型機;MIPS先後被賣給了Imagination和Wave Computing,現在也走上了開放原始碼的道路;Sun將SPARC開放後又被Oracle併購,如今已消失無影蹤;軟銀以40%的溢價收購Arm後,再將25%的股權賣給了Abu Dhabi基金。

最終,經過時間和市場的檢驗,超過99%的筆記型電腦/桌上型電腦/伺服器晶片都是基於AMD64 指令,超過99%的手機及平板的晶片都是基於Arm v7/v8 指令架構。為什麼英特爾不可能賣手機晶片?為什麼Arm的合作夥伴很少賣伺服器晶片?SiFive中國區業務發展總監陳衛榮認為之所以會出現這樣的情況,主要原因在於這些指令集架構的生命力往往與核心公司的經營狀況、股權結構、商業目標、戰略規劃息息相關,「一榮俱榮,一損俱損」,存在著很大的風險。

和歷代指令集架構相比,RISC-V主要有五點區別:

(1)簡潔:較其他商用指令集小很多。

(2)全新設計:吸取了前輩的經驗教訓,使用者和特權指令集明確分離,和微架構/製程技術脫鈎。

(3)模組化ISA:提供短小精幹的基本指令集+標準擴展(1+N),為將來預留足夠空間。

(4)穩定性:基本及標準擴展ISA不會再改變,透過可選擴展而非更新ISA的方式來增加指令。

(5)透過社區進行設計:由產業或學術專家及軟體發展者組成的社區進行設計,可以共用RISC-V軟體生態系統。

陳衛榮將傳統CPU增量ISA和RISC-V ISA分別比喻為「大而全的自助餐」和「想吃什麼點什麼的功能表」。簡單來說,就是傳統CPU ISA猶如大而全的自助餐,各種應用所需指令應有盡有,不管想不想要,人均消費;而RISC-V ISA的設計理念更像是為用戶提供了「必選菜+可選菜」的功能表組合,基礎指令RV321是必選菜,可擴展指令是可選菜,使用者可以根據自己的需要,自主選擇不同的菜品組合,消費金額大幅下降。

當然,菜單中「菜品」的增加與否,會由RISC-V基金會決定何時在功能表中添加一個新菜(擴展指令),並在硬體和軟體技術委員會(IG)進行擴展指令集的公開討論後,只會就技術來討論增加的重要性。即使功能表上出現了新菜,它們仍然是可選的,而不是所有未來實現的必須要求。這樣,硬體是否需要實現完全取決於應用程式的需要,模組化組合方式實現了更小的面積和更低的功率,這對嵌入式物聯網(IoT)應用至關重要。

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RISC-V產業發展勢如破竹

政府和研究機構方面,除了美國DARPA在安全徵集提案中要求使用RISC-V外,印度政府已經宣佈將RISC-V作為國家指令集ISA,投資90M/90M/40M在RISC-V CPU項目並推出了6款不同等級的RISC-V處理器;以色列在構建基於RISC-V的孵化器;巴基斯坦政府也宣佈將RISC-V列為國家級「preferred architecture」。同時,柏克萊-清華兩校在深圳成立RIOS實驗室扶持軟體生態,麻省理工學院、柏克萊大學、密西根大學、康乃爾大學等頂尖學府均開設RISC-V了課程。

國際方面,Andes、Codasip、Cortus、Pintouge、Nuclei、Syntacore等公司宣佈推出基於RISC-V架構的IP產品,其中,又以Nuclei的「1分錢計畫」和Andes的「FreeStart計畫」最具代表性。Microsemi(已被Microchip收購)、恩智浦、威騰電子、NVIDIA、高通則推出了相應的晶片和開發板產品,例如威騰電子和SiFive合作,計畫在所有研發中的記憶體控制晶片中均採用RISC-V IP,未來年出貨量可達20億顆;Microsemi PolarFire FPGA產品和韓國Fadu7nm SSD控制器晶片也極具代表性。

最新的標誌性事件則是紅帽(Red Hat)宣佈加入RISC-V基金會。儘管目前RISC-V在伺服器領域還稍顯稚嫩,但陳衛榮認為隨著紅帽等更多伺服器巨頭的投入,RISC-V在伺服器領域的未來非常值得期待。

在中國,近期最為熱門的話題是阿里巴巴旗下的平頭哥半導體推出了基於RISC-V架構的「玄鐵910」處理器IP核心,並發佈「普惠晶片」計畫。此外,嘉楠耘智、比特大陸、華米、紫光展銳、艾派克、優微科技等公司也紛紛推出新品,涉及人工智慧(AI)運算、藍牙耳機、印表機管理、快充等多個領域。

SiFive軟體工程師總監廖士賢表示,目前人工智慧晶片遇到的挑戰包括精準度、記憶體頻寬、功耗,以及可擴展性等許多方面,傳統的CPU/GPU由於缺乏彈性,都無法很好的進行定制化設計。「尤其是對於小公司來說,Arm架構近幾年改動很小,也不支持定制化,小公司又很難負擔得起相關費用。」廖士賢說,「而RISC-V卻能夠透過創新,讓架構符合應用,滿足模組化定制化及特殊化需求,讓客戶可以專注於自己的優勢上,實現更大的差異化價值。」

不過,擔心RISC-V指令集在應用中逐步呈現「碎片化」風險的顧慮,並未因生態系統的繁榮而就此打消。對此,RISC-V基金會主席Krste Asanovic解釋,「碎片化」和「多元化」的本質區別在於,前者是以不同的方法做同樣的事情,而後者是用不同的方法解決不同的問題。AIoT時代,需求越來越趨向差異化,只要控制得好,指令集碎片化的影響是可控的。

定制化晶片或成未來方向

Sifive研發副總裁胡健認為摩爾定律每年對通用型處理器性能的提升幅度,已經從1989~1999年的52%跌落到目前的3.5%,晶片無論是從提升製程還是從增加整合度方面來看,已經達到物理極限。後摩爾時代,如何提升硬體效率,實現架構創新,通過應用驅動晶片設計,成為定制化晶片誕生的三要素。

在胡健看來,隨著應用領域的日趨細化,一顆晶片打天下的故事已經編不下去了,市場上兩種不同的創新模式正在帶來巨大變革。一種是高通的晶片公司模式,典型特徵是先有晶片,再有系統,軟體完全依賴硬體資源,由晶片驅動技術創新。另一種則是蘋果採用的垂直領域晶片定制化模式,特點包括用軟體定義晶片,應用成為科技創新的主驅動力等。

「垂直領域的晶片定制化是未來,特點是針對應用領域做最佳化的處理器架構(Domain Specific Architecture;DSA)並形成核心技術,再借助軟體工程及網際網路概念,根據具體應用場景決定軟體、協定堆疊和演算法,實現從應用到晶片的全堆疊最佳化。」不過,胡健也指出,儘管RISC-V具備穩定、簡單、模組化、簡化設計、為可擴展性/專門化設計五大優勢,非常適合DSA,但晶片定制仍然主要存在五個方面的挑戰,分別是足夠的IP資源、SoC平台、團隊分工與協作、從晶片設計到驗證所花費的時間,以及各種成本。

20190821NT61P3 針對垂直領域應用最佳化的DSA SoC平台。

作為成立僅3年的RISC-V商業化公司,SiFive目前已完成101個RISC-V Design Wins,全球排名前10的半導體公司中6家成為SiFive的客戶。今年6月,SiFive完成6,540萬美元D輪融資,投資者包括高通、英特爾和三星三大半導體巨頭,累計融資金額達1.25億美元,SiFive去年8月在中國成立的獨立公司賽昉科技也獲得1,100萬美元投資。

目前,SiFive可提供三種類型的RISC-V CPU核心,分別是:1.RISC-V標準指令集,將自訂空間留給客戶,提升效率;2.最大可伸縮/可配置的模組化設計,使不同應用場景獲得更好的能效比與性價比;3.CPU子系統。不僅包括多個系列的成熟CPU核心IP和更多高階核心IP,還包括支持多種核心的線上定制、透過Design Share推動IP與SoC聯動發展、雲端設計環境Core Designer,以及範本化Template概念擁有大量設計自動化工具和雲端資源,並提供季度上新服務,可以讓使用者具備敏捷設計能力,快速完成原型設計,確保用戶1小時內即可設計自己的定制化CPU,12周之內就可以完成流片。

標準核心方面,SiFive提供四大系列,分別針對高效能、低功耗等不同應用需求。其中,E Core為32位元嵌入式處理器IP,主要應用於MCU、邊緣運算、人工智慧與IoT;S Core與U Core都是64位元,S Core為嵌入式CPU IP,可應用於儲存、AR/VR、機器學習;U Core為應用級CPU IP,主要應用於Linux、資料中心與互連設備。

DesignShare是SiFive在2017年推出的專案,透過和眾多協力廠商IP夥伴合作提供在原型設計期間免費IP,致力於降低產品原型設計成本。如今,DesignShare合作夥伴數量已達到20個,並在持續擴張中。

這種設計方法學幫助SiFive取得了相當不錯的成績。典型例證包括與台積電、微軟、Cadence合作,實現了世界首款基於雲端設計的晶片,此設計包括SiFive的64位元多核心7nm RISC-V CPU——Freedom U540,可用於執行RISC-V的Linux作業系統和相關應用程式;韓國Fadu透過和SiFive合作,打造了世界首款基於RISC-V的SSD控制器,功耗和面積都只有其他競爭產品方案的1/3。此外在今年3月成立的CHIPS聯盟中,SiFive與Google、威騰電子、Esperanto等一同作為初始成員企業,聚焦在開放原始碼硬體和開放RISC-V體系架構上,共同定義晶片範本。

本文為EE Times China原創文章