RISC-V发展研究报告

2021-02-24 13:06:58 来源:芯思想
一、开放:RISC-V的天然基因 

RISC-V并不是一种处理器芯片,也不是一种IP,而是一套指令集架构规范(Specification)。所谓指令集,是存储在处理器芯片)内部指导它如何进行运算的一系列规范语言。它是软件和硬件之间的接口,向下定义任何软件程序员需要了解的硬件信息,向上指导应用系统的运转,可以说指令集架构决定了一个处理器的“灵魂”。
 

 

 

PC时代,开放的是基于某个指令集架构制造的芯片产品(如Intel公司按照x86架构生产的各种CPU芯片);移动互联网时代,开放的是基于某个指令集架构微处理器内核授权(如Arm公司按照Arm架构研发的各种内核IP);AIoT时代,直接开放的是指令集架构ISA(如RISC-V基金会定义的RISC-V指令集架构)——“开放”的主体在不断变换,但“开放”的程度却在越发加深,从芯片公司到IP公司再到标准组织,从产品销售到授权再到架构共享,谁以开放的心态拥抱新时代,谁就能够引领产业而获取更大的发展空间。 

源于加州大学伯克利分校(UC-Berkeley) 的RISC-V指令集架构,从诞生之初,就一直拥有开放的基因。它吸取了几十年来计算机发展过程中各种指令集架构的经验与教训,从设计理念上摒弃历史包袱,从技术性能上看相比其它计算机指令架构(ISA),显示出了极简、统一、模块化、可扩展的属性,具备了天然的后发优势。 

RISC-V作为学术界和产业界合作的结晶,最有希望成为新时代的主导架构,其遵从BSD(Berkeley Software Distribution license)协议,可以为任何组织机构和商业组织所使用,这意味着基于RISC-V指令集架构开发的内核IP、相关芯片以及开发工具既可以免费开源,也可以专有收费,具体产品实现可以包括:自行开发版本、开源无质保免费版本、开源加服务费版本、商用闭源收费版本。因此,为产业的发展提供了更为开放的选择。 

据统计, RISC-V基金会如今已经吸引了全球28个国家327多家会员加入,其中不乏IBM、NXP、西部数据英伟达、高通、三星、谷歌、华为、阿里、Red Hat与特斯拉巨头的身影。这个由其成员主导的非营利性机构,指导RISC-V未来的发展,并推动RISC-V ISA更大范围的应用。RISC-V基金会的成员可以访问和参与RISC-V ISA规范和相关的HW/SW生态系统的开发。伴随着RISC-V应用生态的发展,RISC-V基金会注册地从美国迁往中立国家瑞士,RISC-V指令集架构正逐渐成为一个产业界共同遵循的指令集的标准。其开放的特性,也让RISC-V的使用并不会受到单一公司的绑定,因此也被认为是我国实现芯片自主的希望路径之一。

如今,在全球范围内,RISC-V赛道上也涌现出了一批具有代表性的技术企业,如RISC-V发明团队创办的美国SiFive公司,捷克的Codasip公司,中国台湾的晶心科技,以及中国本土的平头哥半导体、芯来科技等。 

二、繁荣:从AIoT赛道起跑 

1、RISC-V与AIoT 

据Gartner预测,到2020年将有超过200亿个AIoT设备联网。台湾工研院研究报告也指出,AIoT芯片市场预计到2025年将达390亿美元,年复合成长率高达20%。AIoT的发展需要四大要素,即AI算法、IoT安全、处理器,以及服务平台。其中,处理器是智能联网设备的核心硬件基础,大多数IoT设备都需要使用低功耗、支持无线连接的嵌入式处理器芯片,而AI相关应用也需要嵌入式处理器进行边缘计算,才能建构完整的AIoT应用,面对高性能、低功耗、无线连接等方面的挑战,基于RISC-V的微处理器内核(包含DSP扩展及矢量扩展)加上AI运算协处理器IP,将成为细分市场AIoT应用的很好机会。RISC-V从AIoT赛道起跑,是由于该领域内的绝对生态壁垒并不存在,嵌入式设备的软硬件一体性和源代码重编译特性决定了其只存在生态相对壁垒。这种相对的生态壁垒随着软硬件厂商的共享繁荣的设计目标,以及差异化产品的旺盛需求,对新兴的RISC-V架构具有天然的友好性。 

我们看到RISC-V目前应用的市场还主要聚焦于AIoT领域,这是由生态壁垒所决定的。RISC-V指令集架构的标准和技术本身并不局限于AIoT领域,只是定义了要遵循的一种模式而已。而具体的性能表现,则要落实到具体的微结构设计中,不管是低功耗的设计还是高性能的设计,都依赖于CPU微结构设计的水平。近期采用Arm架构的苹果M1处理器超越x86架构的处理器芯片,就证明了RISC架构在PC及服务器领域的巨大潜力。 

2、RISC-V与软生态 

无论PC还是智能手机,都需要密集的人机交互和通用应用软件生态。而未来的AIoT应用将进入一种“无人”的物联应用场景。要随时随地实现这样的应用,单靠硬件是不行的。RISC-V硬件架构要想在AIoT赛道实现突破,还需要操作系统和软件的配合才行。RISC-V基金会与Linux基金会达成合作协议,借助后者积累多年的开源生态建设经验和全球庞大的Linux开源社区,得到了Linux的软件平台支持,同时,各种针对或兼容RISC-V架构的Linux基础工具和平台也在加紧开发和测试中,开源的Linux与开放的RISC-V的软硬结合必将发挥出无限潜能。从开发工具上看,基于Eclipse的IDE工具,有芯来科技的NucleiStudio、晶心科技的AndeSight和Codasip的CodasipStudio等,而国际上专业的开发工具企业SEGGER、IAR、Lauterbach也在最近一年为多家厂商的RISC-V MCU和FPGA提供了支持和更新。 

3、RISC-V应用领域的拓展 

RISC-V的市场也在持续扩张,Semico预计2025年全球市场的RISC-V核心数将达到624亿,其中工业应用将占据167亿颗核心。而根据Tractica预测,RISC-V的IP和软件工具市场也将在2025年达到10.7亿美元。从RISC-V基金会官网获悉,目前全球范围内,RISC-V芯片(SoC、IP和FPGA)已经推出84款,覆盖了云端、移动、高性能运算和机器学习等31个产业,而越来越多的芯片企业和终端企业正在加速布局RISC-V产品。 

RISC-V的生态已经能很好的支撑垂直应用。在存储控制市场希捷、西部数据这样的头部厂商都已将RISC-V内核应用于自身的产品当中;在AI领域英伟达也公开了其在RISC-V方面的研究,指出了在深度神经网络中应用RISC-V指令集的可能性;三星也披露了将推出多款采用RISC-V内核架构的芯片;另外,Google、三星和高通在内的约80家公司将联合为自动驾驶汽车等应用开发新的RISC-V芯片设计;GreenWaves推出了基于RISC-V的低功率AI物联网(IoT)应用处理器;晶晨半导体推出具有RISC-V安全内核的SoC芯片;华米发布了用于生物识别可穿戴设备的新型AI芯片。 

RISC-V在通用类的产品应用生态也在逐步打通,越来越完整的可选开发工具链将助力通用产品的大范围面世。RISC-V的编译、验证和分析等流程都在逐步扩大软件与硬件支持。兆易创新在2019年时就推出了RISC-V内核的MCU产品、乐鑫在2020年发布了搭载RISC-V处理器的WiFi+蓝牙模组、GreenWaves 发布了其超低功耗GAP9音频芯片、中科蓝讯有多款RISC-V芯片、沁恒推出了三款RISC-V MCU、中微半导体正式发布首款集成RISC-V内核的32位MCU,瑞萨电子也预计于2021年推出通用RISC-V芯片产品。 

三、自主:生态平台赋能本土应用 

1、RISC-V自主可控的机遇 

开放的基因,繁荣的生态为自主的应用提供了前所未有的发展良机。长期以来,我国集成电路产业普遍注重应用层面SoC的开发,在底层技术上投入有限。虽然国内集成电路产业得益于国内市场的迅速膨胀而积累了大量的发展资金,但在核心技术链、关键供应链上仍然存在不少断点,忽视底层技术特别是以处理器IP为代表的关键核心环节,将有可能成为产业发展的致命罩门。Arm公司对华为的技术断供有可能对海思麒麟芯片未来的技术和服务升级形成巨大障碍,就是一次对产业敲响的警钟。 

RISC-V的出现,为中国处理器IP发展提供了一个千载难逢的机会。让我们欣喜的是,在此领域也出现了深耕于开放指令架构标准中不同层次的国内本土公司,在自主可控与共享繁荣中,找到了一条奋起直追的道路。本土RISC-V处理器IP厂商,在不同领域发力,保持我国的RISC-V处理器IP与世界先进厂商同步演进,完成“突破”与“并跑”,并依靠国内市场强劲的创新需求向“引领”迈进。 

2、RISC-V的中国力量 

产业链自主可控生态的关键由三个因素组成:指令集的发展权、研发团队的本土化以及微架构的自主开发。 

RISC-V指令集架构的标准化为我们解决了指令集发展权的问题。而本土公司和团队的自主开发为我们带来真正的产业链供应安全。经过几十年的国内产业发展,我国在处理器领域人才培养上已经初具规模,形成了一批能够根据指令集架构标准进行微架构研发的团队与软生态研发团队,基于开放架构的指令集标准,更是为优秀的团队提供了打造自主可控产品的良机,伴随着国内AIoT市场的蓬勃发展,为产业提供了从硬到软各个层次自主可控生态打造的应用基础。国内集成电路产业以至ICT产业链各个环节,应抓住开放架构指令集生态打带来的自主可控的处理器IP共性技术平台建设良机,从应用需求入手,彻底解决处理器领域“穿马甲”问题。 

根据RISC-V具体产品的实现来源,我国的RISC-V参与者也存在开源吸收、国外引进、自主研发等不同形式。 

国内RISC-V内核提供公司情况:

从上可见,中国大陆地区的满足本土团队与自主研发的只有平头哥半导体和芯来科技: 

阿里巴巴旗下的平头哥半导体,以及其处理器团队的前身中天微团队,作为出身于高校的本土化研究团队,具备多年的内核开发经验,其发布的RISC-V处理器玄铁910针对云和边缘服务器,更多的依靠阿里生态推动应用与芯片的联动。 

芯来科技的技术演进不同于国外引进或开源吸收模式,其技术团队具备长期的一线巨头企业处理器研发经验,在RISC-V架构产品的打造上从零开始,结构设计和源代码实现完全由本土团队完成,真正的国产自主可控,输出了具有自主知识产权的核心产品。芯来科技目前拥有近100名员工,拥有3个研发中心。 

3、RISC-V自主生态与应用结合 

芯来科技作为本土RISC-V的领军企业,启动建设了基于RISC-V处理器内核的开放创新全栈式SoC 方案平台建设,该平台能缩减基于RISC-V架构的SoC设计周期,降低设计成本。以模块化形式呈现的全栈式RISC-V SoC方案平台则是芯来科技未来业务布局的一个重要方向。芯来SoC方案平台包含了用户在使用RISC-V处理器进行系统级设计流程中的共性需求模块和通用解决方案。通过预制模板和流程,为用户提供自有、第三方、客供等多种数模IP与CPU内核IP的快速集成,并同步为用户生成硬件层次适配以及配套软件方案和开发操作工具。 

芯来科技的RISC-V架构处理器有超过200个客户的评估和使用,全国前10大集成电路设计企业中已有5家成为该公司合作伙伴。在不到三年的发展进程中,收获了不同领域的大量典型客户,协助客户在汽车、工业控制、通信、智能家居、区块链、航空航天、能源、金融、人工智能等领域输出基于芯来内核的产品。 

基于处理器内核的自主可控,是实现SoC平台化的前提,将周边通用IP与内核的全自动化耦合集成,能为客户一站式解决基于RISC-V架构的SoC集成问题,能够推动RISC-V应用生态的更快落地,帮助客户节省大量的各种IP的集成、验证和应用成本。 

我国作为全球最大的AIoT市场,将出现海量的差异化应用需求,并且随着市场的迭代加速,对处理器一体化定制化解决方案的需求,将远远超越对CPU芯片和内核IP的单一需求。RISC-V开放架构和自主IP可以让产业界进一步提升相关应用领域的效能,也借此为厂商创造利基与更多商机。

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