聚焦工業(yè)和安全，躍昉科技12nm的RISC-V架構(gòu)處理器NB2及背后的故事

（文/程文智）2022年8月16日，躍昉科技在深圳舉辦了“躍昉智慧物聯(lián)芯，助力雙碳新基建”新品發(fā)布會(huì)暨媒體溝通會(huì)，會(huì)上發(fā)布全球首款定位高端工業(yè)級(jí)應(yīng)用的可量產(chǎn)12nm RISC-V架構(gòu)SoC芯片NB2，及其核心板和開(kāi)發(fā)板產(chǎn)品，目前已經(jīng)開(kāi)始小批量試產(chǎn)，預(yù)計(jì)Q4實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。NB2將主要面向邊緣計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)及語(yǔ)音處理等諸多應(yīng)用。

NB2主要特性
近年來(lái)，RISC-V生態(tài)日益成熟，應(yīng)用也在逐漸向中高端延伸，未來(lái)CPU領(lǐng)域，RISC-V有望與Arm和X86架構(gòu)三分天下。不過(guò)，在廣東躍昉科技有限公司研發(fā)副總裁袁博滸看來(lái)，目前RISC-V架構(gòu)的芯片，95%以上芯片的主頻都集中在200MHz以下的MCU級(jí)別，這個(gè)級(jí)別的產(chǎn)品大約有500多款；200MHz~1.5GHz主頻的產(chǎn)品也僅有10來(lái)款左右；超過(guò)1.5GHz主頻的產(chǎn)品現(xiàn)實(shí)中幾乎沒(méi)有。

最主要的原因是目前RISC-V的應(yīng)用級(jí)軟件生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展還不太健全，導(dǎo)致了很多廠家在采用RISC-V技術(shù)做落地產(chǎn)品的時(shí)候，更傾向于做簡(jiǎn)單的控制級(jí)別芯片，而后果就是同質(zhì)化非常嚴(yán)重。

躍昉科技從其自身對(duì)芯片產(chǎn)品的理解出發(fā)，從客戶的具體需求起步，選擇了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)賽道，設(shè)計(jì)出了一個(gè)相對(duì)滿足應(yīng)用需求的產(chǎn)品，即邊緣計(jì)算SoC?！癛ISC-V只是我們產(chǎn)品中的一個(gè)部分，它不是全部。”袁博滸強(qiáng)調(diào)。

據(jù)他介紹，其首款可量產(chǎn)的基于RISC-V的工業(yè)級(jí)高性能邊緣應(yīng)用處理器NB2采用了先進(jìn)的12nm工藝，芯片包含了RISC-V四核CPU，標(biāo)稱主頻1.8GHz（最高可達(dá)2.0GHz），算力超過(guò)32,000 DMIPS；內(nèi)置了3D GPU，運(yùn)行頻率可達(dá)850MHz，支持OpenGL ES3.2、OpenCL 2.2、Vulkan 1.1、OpenCV 4.1、OpenVX 1.2等豐富開(kāi)發(fā)資源；內(nèi)置的高性能AI加速引擎NPU，可支持INT8/INT16/FP16混合運(yùn)算，算力最高達(dá)4TOPS，兼容TensorFlow/Caffe/PyTorch等主流框架的網(wǎng)絡(luò)模型；此外，NB2還集成了高性能硬件編解碼加速引擎VPU/JPU、專用視覺(jué)處理器Vision DSP、以及獨(dú)立的DSP為音頻或其他數(shù)據(jù)應(yīng)用提供高效能加速。

同時(shí)，NB2還集成了USB2.0/3.0、千兆以太網(wǎng)、LVDS/DSI等多種高速接口，以及各類標(biāo)準(zhǔn)中低速接口。

NB2主要亮點(diǎn)
除了上面的主要特性參數(shù)，NB2還有以下幾個(gè)亮點(diǎn)：工業(yè)級(jí)品質(zhì)、高溫實(shí)測(cè)表現(xiàn)、低功耗、視覺(jué)DSP與AI、支持異構(gòu)OS運(yùn)行環(huán)境、支持豐富特性的軟件棧等。

首先來(lái)看看工業(yè)級(jí)的品質(zhì)，袁博滸表示，NB2嚴(yán)格遵循了工業(yè)級(jí)芯片品質(zhì)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，“我們從不同的角度去確保芯片在不同的溫度環(huán)境下，仍然可以正常工作。例如溫度循環(huán)測(cè)試環(huán)境是-55℃~125℃，且高溫條件下的操作測(cè)試已經(jīng)超過(guò)125度，測(cè)試時(shí)間超過(guò)1000小時(shí)。”

在高溫實(shí)測(cè)表現(xiàn)方面，除了在制造環(huán)境下做工業(yè)級(jí)品質(zhì)的測(cè)試，躍昉科技還在自己的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，模擬系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境做了高溫試驗(yàn)。袁博滸拿他們自己的開(kāi)發(fā)板和給國(guó)家電網(wǎng)做的系統(tǒng)做的高溫測(cè)試舉例，溫升在15~17℃之內(nèi)，符合整機(jī)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的需求。

在低功耗方面，得益于其12nm工藝的優(yōu)勢(shì)，比28nm工藝在同等條件下性能提升了40%，而同等性能條件下，能耗降低56%，邏輯門密度高2.3倍?！案鶕?jù)實(shí)際測(cè)試，NB2對(duì)標(biāo)一些國(guó)外主流的AI引擎，能效更好?！痹G指出。

區(qū)別以往的AI，特別是視覺(jué)處理的能力上的差別，NB2加入了Vision DSP，獨(dú)立CV處理，以幫助卸載CPU算力，優(yōu)化功耗。VDSP與NPU深度協(xié)同后，有助于優(yōu)化視覺(jué)處理能力。

工業(yè)場(chǎng)景中，除了一般的程序，還有一些程序需要在裸機(jī)上運(yùn)行，為了滿足這個(gè)需求，NB2支持異構(gòu)OS運(yùn)行環(huán)境。也就是說(shuō)NB2支持工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中使用Linux+RTOS+OpenAMP。支持AMP，可以實(shí)現(xiàn)在每個(gè)核上分別預(yù)裝不同的操作系統(tǒng)。

此外，躍昉科技還提供完整的軟件應(yīng)用包，包括異構(gòu)算力BSP包、豐富的SDK、開(kāi)發(fā)者工具及框架?！拔覀兿Ｍ控S富的SDK性能，使所有的硬件性能得以發(fā)揮，使客戶的應(yīng)用正?？焖俜€(wěn)定地遷移到我們的系統(tǒng)上?！痹G表示，同時(shí)，他們還幫客戶做了AI的框架，包括物聯(lián)網(wǎng)的框架等，目的只有一個(gè)，那就是希望能夠幫助客戶更快地將他們的應(yīng)用遷移到躍昉的系統(tǒng)上去。

目前NB2有三種產(chǎn)品形態(tài)，NB2芯片、NB2核心板，以及NB2開(kāi)發(fā)板。

NB2背后的故事

躍昉科技的創(chuàng)始人江朝暉博士是前谷歌CTO，2018年從硅谷回到國(guó)內(nèi)之后一直致力于推廣RISC-V相關(guān)的生態(tài)，構(gòu)建RISC-V上下游的生態(tài)產(chǎn)業(yè)?！拔?018年離開(kāi)谷歌回國(guó)的時(shí)候，我的合伙人跟我說(shuō)要科技報(bào)國(guó)?！苯瘯熢诮邮苊襟w采訪的時(shí)候回憶說(shuō)，“我對(duì)他說(shuō)，如果我們要報(bào)國(guó)的話，就要做一些比較難做的事情。當(dāng)時(shí)還沒(méi)有打貿(mào)易戰(zhàn)，我僅僅是覺(jué)得中國(guó)沒(méi)有自己的CPU架構(gòu)，而我在谷歌的時(shí)候?qū)ISC-V就比較熟悉，這雖然是一個(gè)新的開(kāi)源架構(gòu)，但它已經(jīng)存在十年了，有一定的技術(shù)基礎(chǔ)。所以我選擇了RISC-V架構(gòu)?！?br />
另外，她看到物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展多年，但大家都將重心放在家電產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)方面，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注不多。而她在谷歌一直都是從事網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心和安全的工作，她觀察到全球所有的安全漏洞之中，最危險(xiǎn)的就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。因此，她決心解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全問(wèn)題。

基于這兩個(gè)理由，她回國(guó)后找到了中國(guó)電科院的相關(guān)人員，跟他們介紹RISC-V架構(gòu)和工業(yè)安全的重要性。隨后她說(shuō)動(dòng)了中國(guó)電科院與其共同定義芯片。也就是說(shuō)NB2的很多性能指標(biāo)是跟中國(guó)電科院共同定義的。

“芯片怎樣在應(yīng)用中落地，很重要的一個(gè)原因是取決于你跟合作伙伴之間對(duì)系統(tǒng)的理解是否可以保持一致。我們需要確實(shí)了解系統(tǒng)是什么，考慮系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，跳出單個(gè)芯片的維度。”袁博滸補(bǔ)充說(shuō)，“我們會(huì)看系統(tǒng)板上用了什么芯片，怎么把系統(tǒng)優(yōu)化到用一顆芯片解決整個(gè)系統(tǒng)板卡的問(wèn)題，這樣整機(jī)的運(yùn)行條件等就會(huì)發(fā)生巨大的變化?！?br />
解決了芯片這個(gè)硬件問(wèn)題后，還需要解決軟件的問(wèn)題，因?yàn)镽ISC-V是一個(gè)全新的架構(gòu)，如果沒(méi)有操作系統(tǒng)和軟件的支持也是沒(méi)有用的。“所以我們從一開(kāi)始就有幾十人的軟件團(tuán)隊(duì)，圍繞RISC-V做操作系統(tǒng)和底層軟件?！苯瘯煴硎尽?br />
在安全方面，江朝暉表示，這一代NB2并沒(méi)有加入更多自己的創(chuàng)新，。主要是因?yàn)榘l(fā)展初期人手不夠，但仍然采用了主流的物理內(nèi)存保護(hù)機(jī)制（PMP），該機(jī)制已經(jīng)足夠完成現(xiàn)在主流的商用SoC的架構(gòu)。不過(guò)，她透露說(shuō)，他們?cè)诎踩矫嬉呀?jīng)申請(qǐng)了大量的專利，未來(lái)將會(huì)在后續(xù)的產(chǎn)品GF系列芯片中去實(shí)現(xiàn)。

另外，談到NB2，其實(shí)這是躍昉科技NB系列芯片的首款芯片，并非第二代，之所以叫NB2，是將NB1留給了將來(lái)會(huì)推出的一個(gè)性價(jià)比更高的簡(jiǎn)化版本產(chǎn)品。

說(shuō)到公司的規(guī)劃，江朝暉表示，躍昉科技將會(huì)圍繞幾個(gè)核心，第一個(gè)就是利用RISC-V開(kāi)源的CPU架構(gòu)，做成一連串的應(yīng)用芯片，這些芯片含邊緣計(jì)算的能力和區(qū)塊鏈，保證數(shù)據(jù)不可篡改、可溯源；第二是圍繞安全方面做了很多的工作。其整個(gè)解決方案都是圍繞著工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

產(chǎn)品方面，目前規(guī)劃了三個(gè)系列的產(chǎn)品：BF、GF、NB三個(gè)芯片平臺(tái)，這三個(gè)芯片的平臺(tái)從低端、中端到高端，圍繞著不同的應(yīng)用場(chǎng)景，它們可以分開(kāi)使用，也可以合在一起用。

結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)在RISC-V雖然很熱，但目前出貨量大的主要還是在一些專用的應(yīng)用領(lǐng)域，通用領(lǐng)域目前市場(chǎng)接受度還不高。不過(guò)江朝暉博士表示，我做好芯片，需要靜下心來(lái)，“如果只是想賺快錢，我們不會(huì)選擇這個(gè)賽道?！?br />
在她看來(lái)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的芯片用量很大，從物流到智慧能源、智慧城市，再到工業(yè)都是幾萬(wàn)億的市場(chǎng)，不用擔(dān)心沒(méi)有回報(bào)，但是一定要堅(jiān)持，“我覺(jué)得起碼要投入三年，現(xiàn)在我們產(chǎn)品已經(jīng)出來(lái)，接下來(lái)就是深挖市場(chǎng)?！?br />