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【芯视野】RISC-V“野心优雅”:从席卷IoT到统治全世界

来源:爱集微

#芯视野#

#RISC-V#

06-17 07:22

(爱集微报道)已经成为处理器指令集世界第三极的RISC-V明显有着更大的野心。RISC-V基金会首席执行官Calista Redmond近期对媒体表述未来愿景时用了World domination(统治世界)”一词,如果仔细审视RISC-V在过去几年的发展,会发现这并非夸大其词。RISC-V不但在IoT市场异军突起,移动终端、汽车、HPC等都已进入其势力扩张范围,著名咨询机构德勤更是给出了2024年RISC-V市场达10亿美元的预测。

现在,不但是初创公司选择了RISC-V,大公司也在为RISC-V而着迷,这个指令集的后起之秀已经成为了技术世界的“新网红”。

IoT世界刮起RISC-V风暴


在Arm已经牢固占据的IoT市场,RISC-V硬是创出了一片属于自己的天地,原因何在?

能降低芯片的开发成本是根本。大多数芯片公司,除非想在IP核开发上投入大量资源,否则都会从IP供应商处购买预先实现的IP核授权。这样可以节省开发时间、验证和软件开发等成本,并获得保证。RISC-V的IP授权模式与Arm并无本质差异,区别就在于授权费用远低于Arm。

大笔IP授权费用对于大型的芯片可能无足轻重,但对一些成本敏感的小型芯片产品就是一个不可忽视的负担。尤其IoT市场的主流芯片是MCU,各厂商对产品毛利方面“抠”的非常狠,采用RISC-V内核无疑是相当有吸引力的。据了解,性能接近的MCU内核,RISC-V的授权费用只有Arm的30%-50%左右。

“授权费较低的重要原因,就是市场上有多个供应商可供选择,充分竞争促使了价格的下降。”一位业内人士表示。

如同Linux世界一样,在开源的RISC-V指令集架构之上,全球多家RISC-V的IP供应商开发出了特色各异的商用IP核,使得芯片厂商有了更多的选择。

不过,“便宜”并非RISC-V受欢迎的唯一原因。按照业内普遍的看法,如果要实现与Arm核相同的功能,首先应该选择Arm核,因为其设计精良,经过很好的验证,用户采用RISC-V内核,更多的考量是想获得更大的掌控度。

Arm中低端IoT芯片IP核,现在价格已经很低了相比RISC-V内核也有很强的竞争力,但中小厂商采用RISC-V内核之后,在软件适配知识产权保护等方面就具备了很强的掌控力。”赛昉科技产品副总裁许理表示。

IoT市场的特点是应用的多元化,需要高度定制化的算力,对处理器性能及软件的生态依赖度较低。因此,采用RISC-V内核可让芯片厂商快速完成低门槛、低成本的芯片设计,并可针对特定应用场景进行定制化指令设计。

启英泰伦副总裁张来认为,RISC-V架构的自由度很高,同样的指令集可以实现很多变化,既可以偏重于功耗,也可以强于性能,非常适应于IoT的各种细分应用。

目前,小家电、可穿戴设备、摄像头等是RISC-V内核最受欢迎的应用场景。这些领域多采用MCU+无线模块的高集成方案,MCU性能无需太强但要具备特色功能,性价比、灵活度更高的RISC-V内核正是不二之选。而小家电、可穿戴设备的巨大出货量,也使得RISC-V内核市占率稳步提升。

生态已不是绊脚石

像X86、Arm架构一样,RISC-V崛起的关键无疑是产业生态。

“RISC-V用4年的时间走完了Arm前期10年所走的道路。”许理认为RISC-V生态已经初具规模。

用以评估生态发展程度的最简单指标就是足够的开发者数量和工具的丰富程度,以此来衡量,RISC-V已经已进入快速发展期。

“我们公司在一直在开发芯片建设硬件品牌,还在推动操作系统、工具链的开发和中间件的移植,通过这些工作所获得的反馈,我们认为RISC-V的生态发展已经进入一个快车道。”许理表示。

作为后起之秀,RISC-V发展时间短,没有架构设计上的历史包袱,采用了先进的理念和方法,易于被当代设计者接受。并且,模块化特征使得RISC-V具有出色的可扩展性,加之本身的开源属性,已经吸引了大批开发者(包括商业和民间)投入到软件的补充和完善当中。

开源社区在RISC-V生态的发展中起到了至关重要的作用,很多对RISC-V处理器至关重要的关键工具,如如工艺设计套件、设计验证套件、实施工具,都是由开源社区所贡献的。

许理告诉爱集微,赛昉科技硬件开发板上很多关于操作系统的工作都是由社区的开发者主动进行的,“很多开发都不是由我们公司亲自推动的,这说明RISC-V在开发者心中已经获得很高的认可度。”

RISC-V基金会也认为,开源社区开发使得VLSI(超大规模集成电路)设计的大众化成为可能,通过开发更高级的设计描述语言和先进的开源自动化工具,将使RISC-V的功能进一步完善。

另一个支撑生态的重要基础就是开发工具链,所有指令集架构都因为完备的开发工具链而变得无处不在。开发工具链一般包含编译器、汇编器、调试器等基础工具,集成开发环境(IDE)作为一种图形化的综合开发工具也可以被纳入其中。

RISC-V目前所具备的编译工具(GCC+LLVM,两大开源软件系列)、调试工具和集成开发环境等,已经可以支持当前芯片的开发。

不过,与Arm非常成熟的生态相比,RISC-V仍有很多要追赶的地方。“开源工具已经做得相当不错了,但商业化工具还是存在一些差距。”张来认为,目前RISC-V的生态没有致命的缺陷,但是还有继续深化的空间。

许理也持相近的观点,“很多开发工具还需要经过更加充分的使用和优化,才能更符合开发者的习惯,比如像编译器,其用户界面还有改善空间。” 所以,工具链在高效性和易用性上仍需要继续加强和提升。

RISC-V生态要进一步完善,一个绕不过的话题就是“碎片化”。由于RISC-V鼓励芯片设计企业可以在标准指令之外定制专属的私有扩展指令集,难免让整个生态看上去不太“步调一致”。

不过,对这个问题的看法就见仁见智了。许理认为这是一种最优的发展方式,“RISC-V主干的指令集是大家都共同遵守的,而在细分领域,每个厂商都会根据自己的能力进行扩展,相当于把自己的特长与CPU技术整合起来,实现了差异化创新。”

张来则将RISC-V同Arm做了比较,“在ARM体系中,很多公司依赖ARM核的升级演进来保持新产品的竞争优势及领先性,而在RISC-V体系中,企业则有了更大的自主创新空间和动力。”

此外,由于存在着分散的IP供应商,避免了供应商锁定的状况,也让RISC-V体系更受到广泛的欢迎。

征服更大的世界

IoT只是RISC-V的起点。

“主流的开发工具已经开始支持,性能上RISC-V内核Arm内核比较接近,即使在安全性上面,RISC-V芯片也并不落后,因为也能通同样的安全认证,基本的发展障碍已经不存在了”泰凌微业务拓展总监梁佳毅认为RISC-V已经做好拓展应用边界的准备。

据市调公司Semico Research的预测,到2027年,市场上将有250亿个基于RISC-V的AI SoC,预计同年收入为2910亿美元。并且,未来5年内RISC-V将在许多关键行业实现增长,包括低端智能手机增长57.2%,5G基础设施增长112.3%,数据中心增长68.9%,PC和游戏机增长78%,蜂窝基础设施增长313.8%,消费者物联网预期增长85.2%。

Semico Research认为,这些不同细分市场的增长代表了RISC-V驱动的AI SoC作为加速器和/或主要CPU,将和需要CPU功能的系统紧密结合。

传统指令集架构之间的边界正在变得模糊,而随着对特定领域加速器的需求越来越多,需要新的SoC设计以满足所需工作负载的需求。RISC-V 具有极简的基本指令集并提供自定义扩展,最适合创建特殊加速器。比如,Nvidia多年来一直将RISC-V用于小核心和控制器核心,以实现GPU或AI之外的其他所有功能。Intel也计划开发自己的首款RISC-V架构处理器,将使用SiFive的RISC-V内核,整合到自己最新款的7nm Horse Creek处理器平台中。

RISC-V基金会也认同这种融合趋势。Calista Redmond认为科技公司将越来越多地将 RISC-V、x86 和 Arm 视为同一工具箱中的工具,这将导致在设备和IT基础设施中同时使用多种指令集架构。

不过,RISC-V并不满足于只做加速器这样的配角,而是希望成为数据中心、边缘计算、汽车等应用的核心处理器。

这个愿景在边缘计算中实现的最快,“很多厂商用RISC-V加AI技术做出了边缘计算盒子产品,里面运行的是特定的操作系统与应用程序,无需去做广泛的适配,能充分发挥RISC-V的特性。”许理表示。

相比之下,进入数据中心则是一个终极挑战。理论上,RISC-V具有模块化、可扩展等特性以及向量、DSP等专用指令,有机会成为数据中心等大型计算平台专业场景的极佳解决方案。并且,谷歌等大型科技公司正在开展自己的RISC-V项目。但是,要以主处理器的身份进入数据中心,依然阻碍重重。

从芯片本身来讲,数据中心主处理器的性能、可靠性要求非常高,而目前还没有商业化的高性能RISC-V CPU芯片应用在数据中心的案例。同时,处理器也只是SoC的一小部分,RISC-V内核还要处理好与内存控制器和各种总线的适配工作。即便解决了芯片本身的问题,还需要得到各种软件,特别是大型操作系统的支持,并补齐计算库的缺失。

不过,RISC-V的处境要优于当年的Arm,在RISC-V基金会和各大科技公司的推动下,未来三四年内将有望看到基于RISC-V ISA的主流数据中心应用处理器

在汽车领域,RISC-V也取得了不错的成绩,从ASIL-D安全等级控制器和安全协处理器,人工智能加速器,基于氮化镓功率半导体的先进电动汽车电池充电器控制器,都可以看见其身影。据德勤预测,RISC-V芯片在汽车市场的出货量有望在2025年将达到29亿个。

不仅如此,RISC-V还将站上自动驾驶的舞台。在2022年初举办的CES上,Mobileye公司发布采用12个RISC-V核心的EyeQ Ultra芯片,并使用了Arm GPU 和DSP,旨在为汽车带来Level 4级别的自动驾驶能力。这枚芯片的诞生,也从侧面证明了RISC-V完全可以胜任自动驾驶这种最前沿的应用场景。

综合在应用场景的表现,可以看出,RISC-V将要征服全世界,这真不是一句玩笑。

责编: 轶群

李延

作者

微信:Glxy523

邮箱:lixy@lunion.com.cn

作者简介

集微网记者,关注半导体投资、晶圆制造、IC设计、AI等领域

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