RISC-V的进击与纠结

RISC-V的进击与纠结

三分天下有其一。

当谈及RISC-V在未来全球芯片架构格局中的地位,中国工程院院士倪光南如是说。

RISC-V的进击与纠结

倪光南在RISC-V中国峰会2021上发言

而倪光南口中声称将与RISC-V三分天下的,一面是英特尔设计且由其主导建立起了电脑生态帝国的x86架构;一面是默默耕耘数十年,乘着移动手机东风打通了安卓、IOS两大手机系统的Arm。

从现在的市场份额来看,RISC-V还只是个弟弟。别说三分天下, 当前RISC-V架构连Arm、x86架构下性能相仿手机、电脑的CPU都未能成型。

然而就是这个弟弟,却在6年的时间里,建设成国际型芯片架构产业链企业基金会——RISC-V International。2021年基金会公司成员数量增加292家,增长27.5%。

6年的时间,与2015年创建之时的36家企业相比,这一国际基金会参与企业的数量,增长了50多倍。

难道三分天下真的指日可待了?

来势汹汹,架构巨头虎躯一震

先看一组数据。

截至2021年12月,RISC-V International基金会集团成员比年初增长了130%,达到24278名。

截至2021年12月,RISC-V International 企业成员来自70多个国家,企业成员数量增长至2000多家,与2015年初创时相比增长了50多倍。

截至2021年12月,全球范围内产出的RISC-V核累计超过20亿颗。这是RISC-V在其诞生第11年创下的数据。远超x86、Arm架构出现后同期数据。

当前,已有近100款不同门类及型号的RISC-V芯片应用于云端、移动、高性能计算核机器学习等多个产业。

据Semico Research预测,至2025年,全球市场RISC-V核产量会累计超过600亿颗,其中在工业应用领域会超过167亿颗,年复合增长率为146%。

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RISC-V收入正呈指数级增长

(图源:德勤咨询)

成员数量之多、增长速度之快,不禁让人浮想联翩。

如果说数据不能说明问题,那么大厂的所作所为或许能让人看破一二。如果RISC-V能成气候,直接影响到的,将是其竞争对手——X86、Arm、MIPS三家架构的利益。RISC-V与上述三家架构号称全球四大架构。2021年3月,MIPS公司正式宣称放弃自研架构,转身研发RISC-V。同月,CPU市场老大哥英特尔首席执行官Pat Gelsinger也宣布,将对外开放基于7nm的SiFive IP代工制造业务。英特尔还称,基于7nm RISC-V架构的Horse Creek开发平台将于2022年登场,而基于X86的7nm Meteor Lake处理器则是在2023年实现量产。这意味着在英特尔的规划中,7nm在RISC-V架构上实现应用将不晚于X86,甚至还会跑在X86的前头。

而为英特尔Horse Creek平台提供IP架构的,正是全球第一家RISC-V架构设计企业SiFive,这家企业可以说是与RISC-V架构的诞生同本同源,其创建人同样起源于美国加州大学伯克利分校。2021年6月,英特尔曾想花20亿美元将当时市值约5亿美元的SiFive收入囊中,但此交易没能达成。溢价3倍收购,不难看出英特尔对RISC-V壮大将会产生对自己市场的隐忧。而不接受并购,不仅透露出SiFive的狼子野心,更显示出这一与RISC-V密切相关的企业对该架构未来前景的看好。

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RISC-V国际基金会成员示意图

RISC-V威胁的不仅仅是X86,其最为虎视眈眈的,是盘踞移动端架构市场宝座的Arm。

低功耗是Arm能够赢得移动端市场的制胜法宝。而RISC-V在低功耗方面也毫不逊色。甚至还将获得更优的低功耗效果。由于RISC-V是模块化的,芯片设计者可以根据自己的需求,对不需要的模块进行拆解。用芯来科技创始人胡振波的话来说,RISC-V的模块化特性,类似按需点餐的中餐,而Arm是类似一价全包的自助餐。自助餐可能会提供很多客户不需要的冗余功能,而单点餐就允许客户根据自己的需要自主选择。如此一来,芯片设计模块化便能够极大的提升产品的灵活度和,使得设计与应用更加匹配。

胡振波在接受《中国电子报》记者采访时表示:目前市场上的RISC-V CPU IP 性能大多处于对标Arm的M系列、R系列及入门级的A系列产品的范围内。胡振波表示,RISC-V在端侧物联网和云侧专用计算领域应用最为活跃。特别是在端侧RISC-V架构IP覆盖了AIoT、安全芯片等应用场景,而这些在过去都是Arm占主导地位的领域。当前,RISC-V CPU商用版 IP相比同档次的Arm产品具有很大的价格优势,这无疑对Arm的市场份额造成了一定的冲击。

成也开源,败也开源?

众人拾柴还是搭便车?

开放性,是各企业选择RISC-V架构、选择加入RISC-V International基金会的重要原因。类似于5G标准委员会的运营模式,RISC-V国际基金会成员需要各自贡献基于RISC-V指令集的CPU架构,共同为RISC-V标准建言献策,哪家企业提出的解决方案更优,就更容易被采纳为RISC-V标准方案。而各家公司往基金会中的投入,也将服务于RISC-V方案研发。指令集开源,各家开发的指令集自愿开源,各芯片设计企业各自依据RISC-V标准指令集开发适合自己的指令集,或者寻求RISC-V IP供应商协助。核心指令集的开源,为芯片设计公司保证自身供应链自主可控提供了可能性。共建共享的机制也给RISC-V架构的快速更新迭代提供了机会。

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RISC-V中国峰会2021系列活动

(图源:RVBoards)

然而,也有企业诟病开放的产业体系可能带来的弊端:搭便车。

当谈及当前RISC-V产业面临的问题,工具链不健全、产业生态不完善是记者在采访企业过程中最常听到的答案。

而RISC-V工具链企业澎峰科技联合创始人王军辉在接受《中国电子报》记者采访时提及:想要完善工具链,健全完善的产业生态,是需要RISC-V产业链企业共同投入的。不能只想着吃‘免费的午餐’。王军辉表示,若是每个企业都想着,当别人做出来了,我拿来用就好了,那么RISC-V的开源项目就建设不起来。

如果每个人都希望去免费地获得一些东西,他一定是不会自由的。王军辉说,一颗成功的智能芯片,RISC-V只是一种基础的关键技术,并不是芯片的全部,还包括大量的其他IP,SoC设计工作,工具链,基础软件和应用研发,AI的权重也将越来越大。同样,芯片也不是产品的全部,产品是整个产业链分工协作和努力的结果。

他认为,RISC-V的开源理念应该贯彻到整个产业链,产业链伙伴应该协同起来以各种形式来支持和投入开源项目的建设,否则,中国企业将继续错过这个难得的发展机遇期。

三大拦路虎,怎么除?

对于RISC-V而言,其发展仍处于初期阶段。

芯原股份创始人、董事长兼总裁戴伟民在接受《中国电子报》记者采访时表示,RISC-V现在有三个关键问题待解决:

第一,缺乏软件生态;第二,缺乏专利保护和RISC-V核认证中心;第三,需要加强RISC-V的基础学术研究与人才培养。

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RISC-V中国峰会2021澎峰科技展台

至于RISC-V生态。

胡振波表示,在物联网领域,RISC-V已不存在明显的生态劣势。很多公司需要基于自己的应用场景定制处理器产品来实现各种物联网产品,RISC-V的可定制性要比Arm在此更具优势。我们能看到,各种工具链、专用或通用的嵌入式操作系统,已经普遍支持RISC-V架构。从生态参与者来看,RISC-V国际基金会会员也已覆盖到包括IP供应商、IC设计企业、开发工具和软件平台提供商、系统厂商、云服务提供商、教育与研究机构,以及个人开发者在内的全产业链,形成了许多良性的互动。胡振波举例称,2021年12月,在芯原股份牵头举办的滴水湖RISC-V产业论坛中,发布了一批基于RISC-V架构的应用芯片,其应用覆盖了物联网、汽车、视频监控、语音助手、智能家居、通信、网络等领域。而不同领域中也有自己的RISC-V产业生态建设者,包括中国移动在内,许多企业在打造完整的应用生态链。

而当前RISC-V软件生态的缺乏,一方面体现在高性能计算,尤其是需要取得安卓、IOS、windows系统认证的手机和电脑芯片架构领域;一方面在于重要软件和部分计算库的缺失。

有一个统计,知名的 Linux 发行版 Debian 的软件仓库中,现在超过 95% 的软件都可以在 RISC-V 上编译和运行。这个数字很好看,完成度也确实很高了,但是我们心里很清楚,目前缺失的 5% 包含了软件生态中非常重要的软件,例如浏览器、高性能Java虚拟机、NodeJS生态、LibreOffice办公套件等。中国科学院软件研究所PLCT实验室项目总监吴伟在接受采访时流露出对当前RISC-V软件生态建设的无奈。但要问如何完善RISC-V的软件生态,戴伟民表示,这便需要借助开放的RISC-V硬件平台以促进和加快开源的RISC-V软件平台的建设:我们可以在中国成立类似Linaro那样的非盈利性组织或公司,不断改进和优化RISC-V开源软件产品及开发工具, 以帮助中国公司快速推出基于RISC-V架构的产品。

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RISC-V中国峰会2021芯来科技展台

胡振波表示,CPU的计算库还有缺失,不像Arm的计算库这么完备,需要开发芯片厂商自己移植或者自己做,这一工作对芯片厂商来说难度很大,因此需要CPU厂商、联盟或者是一些科研院所做出一些通用的库来支撑相关应用。

吴伟介绍称,开源RISC-V工具链主要以LLVM和GCC两大开源软件为主。当前国内外都有一些厂商致力于工具链生态建设。例如欧洲Embecosm等老牌编译器厂商,在积极参与 RISC-V 工具链开发维护;美国的SiFive 公司也组建了一个规模较大的编译器团队在做 RISC-V 工具链支持,既包含自家产品的优化,也包含了RISC-V公共功能的实现。西部数据(WDC)公司在QEMU模拟器方面投入比较大。国内目前各个芯片公司内部都有自己的工具链团队。在开源社区活跃的团队目前除了PLCT实验室外,还有阿里巴巴平头哥软件团队、晶心科技、芯来科技等。

至于建设专利保护和RISC-V核认证中心。

戴伟民将专利保护的问题进行了形象化比喻:RISC-V指令集类似于字典,基于RISC-V的处理器架构类似于文章,字典里的字没有版权,但写成文章后有版权问题。

迫在眉睫。

这是胡振波和戴伟民在提及知识产权保护问题时共同提到的词。

胡振波认为,RISC-V架构涉及的知识产权问题不容忽视,自主可控的研发是基础,但要保障RISC-V赛道健康有序地发展,需要投入力量研究基于开源架构的知识产权保护和应用。要让一家公司研究整个RISC-V领域知识产权情况,基本上是不可能的,需要国家层面或者是联盟层面形成合力来保证产业链企业的共同利益。胡振波说。

戴伟民认为,国内产业联盟可以通过收购部分CPU专利的形式,建立专利池,从而为中国RISC-V处理器搭建保护伞。此外,戴伟民还认为,由于RISC-V核多样化发展,需要建立一个认证中心来验证每一个RISC-V核,以确保产业生态环境的健康发展。

至于人才缺乏。

缺人!这是我国大力发展包括集成电路在内的等新兴产业背景下,全行业面临的问题。缺从业者,更缺专家。这在我国起步时间不长的RISC-V产业链更是如此。

胡振波曾在去年中国RISC-V峰会上演讲时讲到,2018年,国内RISC-V产业发展几乎为零。国内甚至找不到讲解RISC-V的中文资料。对于RISC-V的理解只能靠爬梳英文素材。

而RISC-V这种开放式的指令集架构,又要求着包括芯片设计企业、IP提供商企业在内的成员,都需要储备自己的RISC-V编译器、操作系统开发、模拟器开发等技术方向的人才。而这些领域的人才,也是英特尔、Arm、英伟达等芯片公司所需要的。

吴伟以工具链的人才缺口为例:一家芯片公司如果是自主设计指令集,从编译器到模拟器至少需要10-15人的团队,而且要求每一个人都是至少一个领域的专家,非常昂贵。编译技术门槛很高,没有多年的经验的话很难处理好软硬件设计和协同中性能的各种权衡(trade-off),即使功能类的开发也需要两三年的实战经验才有可能独立完成。他表示,粗略估计,大概需要新增一万人左右从事工具链的开发才能满足近几年国内工具链的人才缺口。

人才缺乏也影响到RISC-V市场应用的拓展。胡振波表示,RISC-V的市场拓展与客户的使用习惯有很大的关系。很多应用端客户在找上游IP公司时便会要求,最好完全不要修改原来的任何软件。还有的工程师不愿意修改自己的使用习惯,还是更适应Arm的操作习惯,这样一来,对RISC-V拓宽市场也造成了阻碍。

在人才培养问题上,PLCT实验室已经形成了一套解决方案。吴伟介绍称,实验室目前已经在实行课程教学和研究生小班培养、提供开源软件实习岗、发布公开视频三种人才培养方案。

第一种比较传统的课堂教学和研究生小班培养,主要是面向中国科学院大学的学生,规模较小。第二种方式为国内更多的高校本科生和研究生提供一个实训的机会。实验室通过提供开源软件实习岗位的方式,使学生在PLCT实验室技术专家的指导下,直接向GCC、LLVM等知名开源项目提交代码,成为贡献者。2021年,PLCT实验室累计培养了超过100名实习生,其中有超过三分之一的同学成为了开源社区的贡献者。而第三种方式参与门槛更低,也更为大众化。实验室在bilibili网站上注册了自己的账号,持续更新实验室内部的培训课程和技术报告会的视频。吴伟称:目前大约有超过80万的观看量,覆盖人数相比于传统教学方式已经有了几十倍的扩大。

PLCT实验室的做法,也为培育包括RISC-V工具链方面的人才提供了产学研合作的范例。

远望:何时拥有高性能处理器?

记者在采访过程中,强烈感受到了产业链参与者对RISC-V架构生产出高性能处理器的期待。

如果从量产增长速度的角度来描述,RISC-V当前的产业成果可以称之为发展迅速、成果颇丰了。中科蓝讯是当前RISC-V芯片出货量最大的公司,年出货量约为10亿片。2021年,仅北京君正集成电路股份有限公司一家企业,就在一年内做了了将近50次基于RISC-V芯片的成果发布,其芯片的应用领域实现了逐步拓展。车规级芯片,RISC-V也已开始涉足。

但在高性能处理器方面,RISC-V产品就表现出了明显不足。MCU以32位居多,产品多对标ArmM3、M4水平。

RISC-V的进击与纠结

在谈及当前国内RISC-V产品性能时,王军辉表现得有些失落:每次我看新闻的时候,看到说有多少个RISC-V芯片流片,我一看是32位,再看一次又是个32位,其实我挺失望的。我特别希望有一天看到基于RISC-V架构的64位的高性能异构处理器出来,因为那才是更大的市场。

而当前RISC-V处理器性能不够高端,或许是权宜之计,也是无奈之举。

对于RISC-V这一指令集架构的新成员来说,从X86、Arm手中抢夺市场是当务之急。而在电脑处理器、手机处理器中,这两大架构布局的市场已经相当成熟,且难度大、门槛高,RISC-V想在这些领域争取市场,无异于虎口拔牙。相比较而言,物联网、安全芯片、智能穿戴等领域,一来市场空间仍在扩大处于上升期,二来Arm市场基石不稳固,对于RISC-V来说更有机会。

戴伟民向《中国电子报》记者介绍,在2021年12月17日的首届滴水湖中国RISC-V产业论坛圆桌讨论环节,嘉宾们探讨了三年之内,RISC-V将在哪些应用领域优先起量这个话题,并进行了现场投票,排名前三的分别为小家电产品、可穿戴设备和智慧摄像头/监控设备。

RISC-V的进击与纠结

首届滴水湖中国RISC-V产业论坛

而对于大多数RISC-V产业链企业而言,要将RISC-V应用于高性能计算可能是更为遥远的目标。前几日,王军辉在RVBoards微信公众号上发起了一个简单的投票,题为:RISC-V什么时候将闯入高性能计算。该投票设置了五个选项:2022年;2023年;2024年;终将遇见,不见不散;不可能实现的目标。截至投票时间,此次投票的79名参与者有超过半数选择了2024年和终将遇见,不见不散两个选项。23%的参与者选择了2022年。仅有6%的投票者选择了不可能实现的目标。

可以看出,产业链企业对于RISC-V的美好未来还是抱有美好的期待。

虽然从当前的形势来看,RISC-V是否能实现三分天下有其一的愿望仍不明了。或者说,RISC-V是否只能实现全球指令集架构市场中对计算性能较低的市场仍是未知数。

作为一种无国界制约、无特别公司归属、国际公约性质的指令集架构,胡振波认为,RISC-V极有可能形成CPU领域的国际标准。届时,标准不属于任何一家公司,作为开放的标准,它不会被某家公司限制,每家投入的企业都将成为合作伙伴,以此带来RISC-V的生态繁荣。

到时候,可能不需要三分天下,Arm和英特尔加入RISC-V建立的CPU标准后,天下就变成一家了。

作者丨姬晓婷

编辑丨连晓东

美编丨马利亚

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