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中国芯RISC-V架构成自研关键,应走第三条路

2022-08-31

来源:凤凰网科技浏览次数:412

     “中国芯应走第三条路 。”8月24日,倪光南院士在2022 RISC-V中国峰会致辞中表示:目前,主流CPU市场仍被X86、ARM架构垄断,但新兴的开源指令集RISC-V将为我国芯片产业发展提供新机遇,如果抓住机会,就有可能在CPU核心技术上掌握主动权。

       诞生于2010年的RISC-V,是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源架构,是ARM和x86架构之外规模最大的CPU架构,同时也是国内自主研发芯片的主攻架构之一。

       中国芯是指由中国自主研发并生产制造的计算机处理芯片。实施“中国芯”工程,采用动态流水线结构,研发生产了一系列中国芯。

       通用芯片有:魂芯系列、龙芯系列、威盛系列、神威系列、飞腾系列、申威系列;嵌入式芯片有:星光系列、北大众志系列、湖南中芯系列、万通系列、方舟系列、神州龙芯系列。

       RISC-V(读作“RISC-FIVE”)是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA),V表示为第五代RISC(精简指令集计算机),表示此前已经有四代RISC处理器原型芯片。每一代RISC处理器都是在同一人带领下完成,那就是加州大学伯克利分校的David A. Patterson教授。与大多数ISA相反,RISC-V ISA可以免费地用于所有希望的设备中,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。图1展示了此前的四代RISC处理器原型芯片。它虽然不是第一个开源的指令集(ISA),但它很重要,因为它是第一个被设计成可以根据具体场景、可以选择适合的指令集的指令集架构。基于RISC-V指令集架构可以设计服务器CPU,家用电器cpu,工控cpu和用在比指头小的传感器中的cpu。


中国芯RISC-V架构成自研关键,应走第三条路

RISC-V特色

完全开源

       对指令集使用,RISC-V基金会不收取高额的授权费。开源采用宽松的BSD协议,企业完全自由免费使用,同时也容许企业添加自有指令集拓展而不必开放共享以实现差异化发展。


架构简单

RISC-V架构秉承简单的设计哲学。体现为:

       在处理器领域,主流的架构为x86与ARM架构。x86与ARM架构的发展的过程也伴随了现代处理器架构技术的不断发展成熟,但作为商用的架构,为了能够保持架构的向后兼容性,其不得不保留许多过时的定义,导致其指令数目多,指令冗余严重,文档数量庞大,所以要在这些架构上开发新的操作系统或者直接开发应用门槛很高。而RISC-V架构则能完全抛弃包袱,借助计算机体系结构经过多年的发展已经成为比较成熟的技术的优势,从轻上路。RISC-V基础指令集则只有40多条,加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。 RISC-V的规范文档仅有145页,而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。


易于移植*nix

       现代操作系统都做了特权级指令和用户级指令的分离,特权指令只能操作系统调用,而用户级指令才能在用户模式调用,保障操作系统的稳定。RISC-V提供了特权级指令和用户级指令,同时提供了详细的RISC-V特权级指令规范和RISC-V用户级指令规范的详细信息,使开发者能非常方便的移植linux和unix系统到RISC-V平台。


模块化设计

       RISC-V架构不仅短小精悍,而且其不同的部分还能以模块化的方式组织在一起,从而试图通过一套统一的架构满足各种不同的应用场景。用户能够灵活选择不同的模块组合,来实现自己定制化设备的需要,比如针对于小面积低功耗嵌入式场景,用户可以选择RV32IC组合的指令集,仅使用Machine Mode(机器模式);而高性能应用操作系统场景则可以选择譬如RV32IMFDC的指令集,使用Machine Mode(机器模式)与User Mode(用户模式)两种模式。


完整的工具链

       对于设计CPU来说,工具链是软件开发人员和cpu交互的窗口,没有工具链,对软件开发人员开发软件要求很高,甚至软件开发者无法让cpu工作起来。在cpu设计中,工具链的开发是一个需要巨大工作量的工作。如果用RISC-V来设计芯片,芯片设计公司不再担心工具链问题,只需专注于芯片设计,RISC-V社区已经提供了完整的工具链,并且RISC-V基金会持续维护该工具链。当前RISC-V的支持已经合并到主要的工具中,比如编译工具链gcc, 仿真工具qemu等。

       在地缘政治影响全球经济的当下,芯片自主重要性不言而喻。本月,美国总统拜登本正式签署了《芯片与科学法案2022》undefined其中明确规定获得美方补助的企业十年内不得与中国或其他令美国担忧的国家进行任何重大交易,市场对RISC-V关注度再次提高。

       倪光南院士的发言,坚定了芯片行业自主研发信心的同时,也引发了一定讨论。


       RISC-V架构,为何能与ARM/X86一较高下?中国RISC-V产业现状如何?它会是中国芯片自主的关键技术方向吗? 带着这些问题,凤凰网科技采访了平头哥副总裁孟建熠,电子创新网创始人、半导体专家张国斌。


RISC-V是中国芯片

自研的关键解?


        国内芯片行业之所以对RISC-V寄予厚望,很大部分原因是美国对华为的卡脖子事件,让我们意识到芯片一定要自主研发,摆脱对国外的技术依赖。而RISC-V的开源特性,被业内视作可绕开西方垄断的技术方向。

       2018年,美国商务部禁止中兴销售零部件、商品,致使后者芯片短缺;2019年,美国对华为实行芯片制裁后,国内芯片企业担忧与ARM的合作面临的风险,陆续加入了RISC-V阵营。

       与此同时,国内政府政策、产业研究等多方面协同推动RISC-V架构加速发展。2018年,上海市政府发布一份支持软件和集成电路的政策,其中明确提到“支持基于 RISC-V 指令集架构、32 位及以上的处理器芯片的研发及产业化”。

       同年,倪光南联合国内业界人士成立了中国RISC-V产业联盟。随后,在中科院牵头下,中国开放指令生态(RISC-V)联盟成立。两个联盟的成立,初衷都是为推动RISC-V 生态在中国本土的完善。

       目前,RISC-V理事会中80%以上的最高级别会员都为中国企业,超过70%的RISC-V主要成员来自中国,包括阿里巴巴、华为、中芯国际、紫光展锐、晶晨股份、芯原股份等。截至今年,RISC-V处理器在IoT的应用规模超100亿,中国公司的出货量占50%。

       中国企业在RISC-V技术和应用上的贡献度也越来越高。 8月24日,阿里平头哥发布首个高性能RISC-V芯片设计平台无剑600,将RISC-V从1GHz主频性能带到2GHz商用性能水平;去年底,华为海思官网公布全新的高清电视芯片Hi373V110,内置海思全自研RISC-V架构的CPU;此外,中兴、芯原股份也在加速自研基于RISC-V架构的产品。

      多位专家认为,RISC-V架构对于中国企业来说是一个难得的机遇,因为RISC-V起步晚,国内外差距并不像传统X86架构领域那么大,有一定的赶超空间。

      半导体专家张国斌透露,尽管ARM/X86架构还是CUP市场主流,但为了提前抢占物联网、AR智能等市场风口,RISC-V已成为不少车企、以及科技公司的重点项目。


RISC-V生态不够成熟,

具有专利风险


       虽然RISC-V为国内突破芯片垄断带来了希望,但也不能盲目乐观,它还有诸多风险和技术挑战。

       半导体专家张国斌告诉我们,业内已有共识,RISC-V是开源指令集, 但不是完全免费。 例如,部分公司会基于RISC-V指令集设计出商业型CPU,然后再将CPU卖出去或者进行授权。 从这个意义上说,它是开源的,不是免费的。

       与此同时,基于RISC-V架构开发芯片的风险成本不可被忽视。RISC-V是开源可供使用的,也意味着没有“售后”服务,采用该架构出现问题可能需要自行摸索解决方案。在专业性极强的芯片设计领域,处理问题可能要付出更多的成本和时间。

       RISC-V当前处于发展阶段,目前很多接口不兼容RISC-V,这也阻碍其发展。 孟建熠指出,ARM已建构起一套更为完整的软硬件生态体系,并形成了可靠的商业循环,RISC-V要发展到ARM的成熟度,还有一段长路要走。

       张国斌则表示,ARM在中国花了十年以上时间才建立成熟的生态。RISC-V起点较高,国内响应企业也好,时间可能会缩短,至少也要三至五年时间。“市场穿透力没那么快,现在真正基于RISC-V量产芯片并不多,也没有通用型芯片。”

       此外,相比X86和ARM,RISC-V在高性能计算领域的发展仍不充分。

       GMP 库开发者 Torbjörn Granlund 曾指出,RISC-V指令集过于简单且碎片化,导致它大部分的应用场景是嵌入式。高性能处理器方面,RISC-V芯片产品以32位居多。从现实情况来看,RISC-V将继续向高性能演进,而高端化“起势”也需长时间的锤炼。

       孟建熠表示,高性能RISC-V芯片的量产,要求先进工艺,更考验整个芯片设计的能力,特别体现在性能和功耗的平衡把握上,需要投入大量的研发精力。

      “中国芯”工程是在工信部主管部门和有关部委司局的指导下,由中国电子工业科学技术交流中心(工业和信息化部软件与集成电路促进中心,简称CSIP)联合国内相关企业开展的集成电路技术创新和产品创新工程。自2006年以来,该活动秉承“以用立业、以用兴业”的发展思路,旨在搭建中国集成电路企业优秀产品的集中展示平台,打造中国集成电路高端公共品牌  。

趋势对策

       芯片强国的战略已刻不容缓,然而通过对芯片行业发展的趋势分析,中国集成电路行业的破局和赶超充满了挑战。只有从全球发展的视角打通上下游产业链,营造生态圈,聚市场资本之力允许试错和失败,快速迭代,利用创新合作的模式发展才是正道。

(1) 引领资本,吸纳高级人才

       集成电路行业面临着针对人才要求高,但是相关待遇不匹配的窘境,加上集成电路行业产品周期长,这让很多高级人才投身到了互联网软件行业。只有通过正确的价值引导,吸引更多的市场资本,提高相关岗位的价值匹配,才能够打造一个复合技术团队。

(2) 重视研发,持续投入

       立足全球,英特尔等行业巨头动辄数百亿美金的研发投入。而中国集成电路行业大多都是中小企业,资本和政府投入资金不足以支撑产品迭代。研发作为高科技产业的核心动力,只有得到持续的资金投入,较为宽松的发挥空间,才能够激发研发团队的灵感,创造出更契合市场需求的产品。

(3) 立足全球化,面向市场化
       中国集成电路产业的发展必须具备全球化的视角,也需要全球化的合作,开放与合作是未来的主流。同时,中国集成电路行业虽然需要国家政策和资金的扶持,但是没有充分的市场竞争,忽视市场真正的需求,无视资本市场资金关注的要素,一味的闭门造车也是很不可取的。
      市场化也是中国集成电路产业不得不面临的一个课题,只有在全球化和市场化的基础之上,结合政府持续的政策扶植和资金投入,才能迎来中国集成电路产业的春天。




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