軟件開發(fā)者的“瑞士軍刀”——PicoRio

今年 7 月，由圖靈獎(jiǎng)得主大衛(wèi) · 帕特森（David A. Patterson）領(lǐng)銜的 RISC-V 國際開源實(shí)驗(yàn)室（RISC-V International Open Source Lab，以下簡稱：RIOS）宣布將推出一款基于 RISC-V 的微型電腦——PicoRio。

RISC-V 是國際流行的開源（僅 ISA）指令集標(biāo)準(zhǔn)，任何人都可以免費(fèi)使用，并自由將它用于芯片設(shè)計(jì)、制造和銷售。RISC-V 近兩年高速發(fā)展，它不僅被眾多國人寄予厚望能幫助我們走出缺 “芯” 的困局，還容納了不少跨國公司的避險(xiǎn)需求。

DeepTech 聯(lián)系到了帕特森教授的學(xué)生、RIOS 執(zhí)行主任譚章熹博士，聽他詳細(xì)介紹了 PicoRio、RIOS，以及 RISC-V 的發(fā)展現(xiàn)狀。

為軟件開發(fā)者準(zhǔn)備的“瑞士軍刀”——PicoRio

RIOS 實(shí)驗(yàn)室于去年 11 月在深圳正式掛牌成立。它隸屬于清華 - 伯克利深圳研究院（TBSI），是一個(gè)致力于推動(dòng) RISC-V 生態(tài)構(gòu)建的非營利性組織，PicoRio 將是他們向外界推廣的第一款開源硬件。

當(dāng)前，由于 RISC-V 的硬件稀缺，導(dǎo)致攢一臺(tái)可用的機(jī)器大概需要 1000 美元左右，這個(gè)數(shù)字同一臺(tái)蘋果 MacBook Air 價(jià)格相當(dāng)，加之 RISC-V 軟件生態(tài)的相對(duì)匱乏，很難想象開發(fā)者有足夠的動(dòng)力嘗試。

本次 RIOS 推出 PicoRio 目的旨在改變這種尷尬的現(xiàn)狀，通過開源、廉價(jià)但功能完備的硬件來吸引開發(fā)者，共同構(gòu)建并完善 RISC-V 生態(tài)和提高其影響力。據(jù)譚章熹透露，PicoRio 將同樹莓派（Raspberry Pi）的價(jià)位保持一致，100 美元是它的價(jià)格上限。

樹莓派是基于 Linux 的單片機(jī)電腦，由英國樹莓派基金會(huì)開發(fā)，目的是以低價(jià)硬件及自由軟件促進(jìn)學(xué)校的基本計(jì)算機(jī)科學(xué)教育。自 2012 年推出以來，累計(jì)售出超過 3000 萬臺(tái)，惠及眾多學(xué)生與開發(fā)者。

RIOS 認(rèn)為這樣的策略值得學(xué)習(xí)。譚章熹相信，這是一項(xiàng)全新的事業(yè)，中國人有望引領(lǐng)并深刻改變整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)。

目前，PicoRio 的消息已經(jīng)吸引了一些公司或組織。樹莓派、BeagleBoard、Imagination Technologies、某高通驍龍芯片系統(tǒng)方案商等，甚至還包括了粵港澳大灣區(qū)和臺(tái)灣的十所高等院校。

據(jù)悉，PicoRio 的軟硬件開發(fā)計(jì)劃大概分成三步。

PicoRio 1.0將是一個(gè)缺少 GPU 模塊的 “命令行” 版本。

它搭載一個(gè)基于 RISC-V 指令標(biāo)準(zhǔn)的異構(gòu)眾核處理器（Pygmy SoC），這是一款支持運(yùn)行 64 位 Linux 四核 RV64GC 的處理器，使用臺(tái)積電 28nm 制程工藝制造，主頻預(yù)計(jì) 500 MHz 以上。

圖 | PicoRio Pygmy RISC-V SoC

PicoRio 1.0 將支持以命令行方式啟動(dòng) Chromium OS 內(nèi)核，支持 Chrome V8 Javascript 引擎，Alpha 版本將于 2020 年內(nèi)發(fā)布。

PicoRio 2.0除了在硬件方面持續(xù)改進(jìn)之外，也將通過與 Imagination 的合作，集成 PowerVR GPU，屆時(shí) PicoRio 將成為一個(gè)完整意義的“電腦”，達(dá)到樹莓派 3 或 4 的水平。

PicoRio 3.0將是一個(gè)硬件全面增強(qiáng)的版本，尤其是 CPU、GPU 方面，可以達(dá)到運(yùn)行完整 Chromium OS 的水平。

圖 | PicoRio 1.0 芯片封裝 FCCSP 諜照

截至目前，PicoRio 上已經(jīng)可以運(yùn)行 Gentoo 和 Red Hat 旗下的 Fedora 等 Linux 發(fā)行版本。2020 年 1 月，RIOS 便開始了對(duì) CROS 跨系統(tǒng)工具鏈的開發(fā)及 Chromium OS 內(nèi)核和 Chrome V8 JS 引擎的移植工作，到 7 月底以上工作已基本完成。

未來，PicoRio 除了可以運(yùn)行基于本身硬件的 Liunx 系統(tǒng)之外，還將大力發(fā)展類似 Chromium OS 的 “云電腦” 模式，考慮到其不足 100 美元的低廉價(jià)格，一旦能夠真正滿足日常的學(xué)習(xí)、辦公需求，應(yīng)用場(chǎng)景將超過樹莓派，變得異常廣闊。

需要說明的是，Chromebook（搭載了 Chromium OS 的筆記本電腦）在國內(nèi)可能名不見經(jīng)傳，但它在美國早已廣泛落地應(yīng)用。據(jù)咨詢公司 Futuresource 的數(shù)據(jù)，2019 年 Google 占領(lǐng)了美國 60％ 的教育計(jì)算機(jī)市場(chǎng)。

譚章熹這樣描述 PicoRio 與樹莓派的異同。

他說，PicoRio 項(xiàng)目確實(shí)受了樹莓派的啟發(fā)，并同樣瞄準(zhǔn)了教育、機(jī)器人等領(lǐng)域市場(chǎng)。但最大的不同是， PicoRio 將盡量多地開源相關(guān)組件，包括但不限于 CPU 和 主要 SoC 設(shè)計(jì)、芯片封裝和電路板設(shè)計(jì)文件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及固件等等。

未來 PicoRio 暫不準(zhǔn)備朝著打造單一超高性能的 PC 方向發(fā)展，更多地是傾向于完善緩存控制器、互連等重要的周邊軟硬件生態(tài)。

RIOS 希望 PicoRio 能將 RISC-V 的生態(tài)帶入到一個(gè)正向的循環(huán)，隨著開發(fā)者和軟件生態(tài)的完善，新晉開發(fā)者的學(xué)習(xí)和遷移成本將快速降低。

壟斷 VS 開源，被寄予厚望的 RISC-V

提及 RISC-V，大衛(wèi) · 帕特森教授的名字是無法繞過的。他是名副其實(shí)的 RISC-V 之父，自 1980 年便在伯克利大學(xué)開始了 RISC 的相關(guān)工作，直至今日。

同時(shí)他也是圖靈獎(jiǎng)和馮諾依曼獎(jiǎng)得主，外界普遍認(rèn)為是他創(chuàng)造了 RISC（Reduced instruction set computer，精簡指令集）這個(gè)術(shù)語。

譚章熹自 2005 年便開始追隨帕特森教授，是他唯一的做系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的中國學(xué)生，在 RISC-V 這個(gè)領(lǐng)域，他在客觀上實(shí)現(xiàn)了 “最早” 二字。譚章熹笑著說，“現(xiàn)在我同帕特森教授接觸的時(shí)間甚至超過了學(xué)生時(shí)期?！?/p>

RIOS 由帕特森教授牽頭創(chuàng)立，在權(quán)威性方面自然不容置疑。并且因此，RIOS 具備了比目前國內(nèi)的其他任何 RISC-V 組織都要領(lǐng)先的國際化方面優(yōu)勢(shì)，這也是中國未來能在 RISC-V 的國際舞臺(tái)發(fā)揮影響力的先決條件之一。

目前，仍然活躍在商業(yè)領(lǐng)域的指令集分成兩大類：以 ARM、RISC-V 及 MIPS 為代表的精簡指令集（RISC）和以 X86 為代表的復(fù)雜指令集（CISC）。這里的精簡和復(fù)雜可以簡單理解為所包含指令數(shù)目的多少。

X86架構(gòu)由大名鼎鼎的 Intel 首創(chuàng)，且除 AMD 之外基本不再對(duì)外授權(quán)。目前，在 PC 和服務(wù)器兩大市場(chǎng)，X86 芯片處于絕對(duì)的霸主地位，客觀上形成了 Intel 與 AMD 共同的壟斷。

ARM則選擇了付費(fèi)授權(quán)的模式。由于其在功耗方面的優(yōu)勢(shì)，幾乎所有的智能手機(jī)（蘋果、安卓）、平板、便攜智能設(shè)備，都使用了 ARM 架構(gòu)。

MIPS同 ARM 的商業(yè)模式類似，但遺憾的是它在商業(yè)上是失敗者。該公司幾經(jīng)轉(zhuǎn)手，技術(shù)人員離職，產(chǎn)品停止維護(hù)，母公司 Wave Computing 瀕臨破產(chǎn)。目前 MIPS 甚至加入了 RISC-V 基金會(huì)，成為了戰(zhàn)略成員之一。

值得注意的是，今年 8 月，MIPS 重要客戶龍芯中科的董事長胡偉武，在一次學(xué)術(shù)報(bào)告中稱將推出基于 MIPS 的自主兼容 LoongArch 指令集，這無疑讓 MIPS 的處境雪上加霜。

可以說，在指令集領(lǐng)域，如果作為后來者的中國想要擺脫別國的鉗制，目前切實(shí)的選擇并不多。而由于龍芯的 LoongArch 體系仍處于開發(fā)之中，所以大家更多地將目光集中到了 RISC-V。

在這個(gè)微妙的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，9 月中旬傳出了 NVIDIA 以 400 億美元從日本軟銀手中收購芯片設(shè)計(jì)公司 ARM 的消息。

外界普遍認(rèn)為，一旦美國公司 NVIDIA 成功收購 ARM，必將導(dǎo)致芯片行業(yè)的集中度進(jìn)一步加劇?？紤]到中美目前的經(jīng)貿(mào)摩擦，所有美國以外的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)公司都不得不重新評(píng)估 ARM 未來的可靠性。

其實(shí)中國并非沒有機(jī)會(huì)建立屬于自己的指令集標(biāo)準(zhǔn)，但奈何終究錯(cuò)過。

中科院計(jì)算所研究員包云崗在 2017 年的一篇文章中寫道，2012 年中國曾在工信部的推動(dòng)下計(jì)劃制定 CPU 指令集國家標(biāo)準(zhǔn)。然而，一方面由于國內(nèi)幾家選擇了不同指令集的國產(chǎn)處理器各不相讓，另一方面從零開始設(shè)計(jì)一套全新的指令集又讓人望而卻步，于是國家指令集便逐漸沒有了下文。

譚章熹認(rèn)為，目前的情勢(shì)對(duì)于 RISC-V 來說是一個(gè)千載難逢的契機(jī)。具備可替代 X86、ARM 指令集生態(tài)體系的潛在選項(xiàng)并不多，RISC-V 憑借較高的國際認(rèn)可度，如果國內(nèi)再形成合力，將有望推動(dòng) RISC-V 爆發(fā)式發(fā)展，這將從根本上顛覆現(xiàn)有的芯片市場(chǎng)格局。

他認(rèn)為，得道多助，失道寡助，唯有開源方可對(duì)抗壟斷。

訪談最后，譚章熹對(duì)業(yè)內(nèi)關(guān)心的關(guān)于RISC-V 指令集標(biāo)準(zhǔn)更新滯后的問題作出了回應(yīng)。

他說，指令集標(biāo)準(zhǔn)的制定同法律一樣，某種程度上無法避免存在一定的滯后性。

法律的滯后性源于它一般只能對(duì)重大的事件和比較成熟的司法經(jīng)驗(yàn)做出規(guī)定。作為規(guī)則，它必須保持足夠的穩(wěn)定性，絕不能輕易“朝令夕改”，否則民眾難以適應(yīng)，司法機(jī)關(guān)也無從執(zhí)行。

而指令集標(biāo)準(zhǔn)的迭代也是由現(xiàn)有的產(chǎn)品和業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的，只有趨勢(shì)非常明顯的時(shí)候才能將其作為列入拓展指令集的備選，這主要由于某些領(lǐng)域的芯片指令集并不像藍(lán)牙、WiFi 等有清晰的落地應(yīng)用場(chǎng)景，甚至可以在產(chǎn)品出廠之前明確標(biāo)準(zhǔn)。

此外，RISC-V 國際基金會(huì)也并不是一個(gè)擁有大量研發(fā)資源的機(jī)構(gòu)，而是一個(gè)松散的民主型組織，所以它無法像公司一樣主導(dǎo)成員的工作。

大衛(wèi) · 帕特森的野望

帕特森出生于 1947 年，年逾古稀的他至今仍活躍在 RISC-V 的舞臺(tái)，并積極推動(dòng) RISC-V 能在包括中國在內(nèi)的全世界范圍內(nèi)開花結(jié)果。

譚章熹介紹道，“導(dǎo)師經(jīng)常跟我們講 1937 年美籍空軍志愿大隊(duì)（飛虎隊(duì)）幫助中國抗擊日本侵略者的故事，他真心希望 RISC-V 能在中國加速，起飛，然后飛高飛遠(yuǎn)?！?/p>

近日，有外媒報(bào)道，與 RIOS 同處 RISC-V 陣營，總部位于舊金山的 SiFive 下個(gè)月將推出世界上第一臺(tái) RISC-V PC。

歷史的機(jī)遇和考驗(yàn)明確擺在了 RIOS 的面前，愿他們能夠“只爭朝夕，不負(fù)韶華”。

原文標(biāo)題：RISC-V軟件開發(fā)“瑞士軍刀”出鞘！圖靈獎(jiǎng)得主攜開源硬件解決中國“芯”問題｜專訪

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