占位符還是革命性突破？RISC-V處理器架構(gòu)引領(lǐng)中國芯片產(chǎn)業(yè)新機遇！

RISC-V正引領(lǐng)著開源理念在硬件社區(qū)中的接受，它促進了前所未有的行業(yè)協(xié)作，并重新激發(fā)了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界之間的緊密聯(lián)系。

目前，我們面臨著一個關(guān)鍵問題：這種布局是否僅僅是行業(yè)在重新學(xué)習(xí)處理器開發(fā)過程中的一個過渡方案，還是RISC-V處理器架構(gòu)本身就是一種革命性的創(chuàng)新。不論結(jié)果如何，對于更加靈活多變的處理器架構(gòu)的需求都是明確且迫切的，而RISC-V至少在目前填補了這一領(lǐng)域的空白。Bluespec 產(chǎn)品和業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁 Loren Hobbs 表示：“RISC-V自誕生起就源于學(xué)術(shù)界，并且從一開始就在各大高校之間建立了深厚的合作關(guān)系。這種合作持續(xù)至今，許多備受歡迎的開源RISC-V處理器都源自高校。OpenHW Group和CHIPS Alliance等組織在推動學(xué)術(shù)界與工業(yè)界之間的雙向合作中扮演著核心且重要的角色。”過去，工業(yè)界中并未形成過這樣的合作模式。OpenHW的CEO Florian Wohlrab表示：“我們正在相互學(xué)習(xí)，汲取最佳驗證實踐的精華。同時，我們也在學(xué)習(xí)哪些方法是應(yīng)該避免的。隨著人們逐漸認識到‘分享想法確實能帶來益處’，這種合作模式正在不斷發(fā)展壯大?！?/span>
處理器靈活性的需求在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界中都存在。西門子EDA的市場總監(jiān)Neil Hand表示：“產(chǎn)業(yè)界在處理器方面需要多元化?！?“以前，因為各自為營，很多公司都合作不起來。但現(xiàn)在RISC-V有個很團結(jié)的中心組織，誰想搞處理器都能加入一起干。大家不用亮出底牌，但都能從中受益。這就像是水漲船高，RISC-V就處在這個好時候?！?/span>

RISC-V的生命力

RISC-V能否在行業(yè)中持續(xù)這一成功勢頭，還是隨著時間的推移逐漸消亡，還有待觀察。但至少目前，RISC-V 的發(fā)展勢頭正在增長。“我們正處于硬件設(shè)計革命的開始階段，”O(jiān)penHW 的 Wohlrab 表示?！?0 年前 Linux 問世時，我們在軟件方面也看到了同樣的事情。沒有人真正考慮共享軟件或協(xié)作開發(fā)軟件。盡管存在一些小規(guī)模的開源項目，但大型項目的合作開發(fā)還需要長時間的積累。如今，我們已經(jīng)習(xí)慣了軟件的共享與協(xié)作。對于硬件而言，我們才剛剛開始探索這一全新理念，許多人需要意識到，我們在硬件領(lǐng)域也能實現(xiàn)與軟件相同的協(xié)作模式?！?span style="color:rgb(74,76,76);">RISC-V的成功背后，離不開廣泛的合作與協(xié)作?！癛ISC-V成功的關(guān)鍵支柱之一，在于其與生態(tài)系統(tǒng)的緊密配合以及利用明確的開發(fā)流程，”SmartDV應(yīng)用工程副總裁Sergio Marchese強調(diào)，“RISC-V供應(yīng)商面臨的挑戰(zhàn)在于如何展示其處理器定制化能力如何服務(wù)于實際應(yīng)用，并在真實硬件上驗證整個流程。缺乏戰(zhàn)略合作伙伴的支持，RISC-V供應(yīng)商將面臨更為艱巨、耗時且資源密集的發(fā)展道路?！边@一框架的建立，正是RISC-V獨特之處的體現(xiàn)?！癛ISC-V為合作構(gòu)建了這一框架，并解決了諸多問題，”Siemens的Hand指出，“如今，當(dāng)某所大學(xué)在處理器設(shè)計中提出關(guān)于內(nèi)存標記的創(chuàng)新想法時，他們無需從頭開始構(gòu)建編譯器或參考平臺，因為這些都已經(jīng)有了。同樣，如果一家編譯器優(yōu)化初創(chuàng)公司有了處理代碼優(yōu)化的新思路，他們也無需構(gòu)建整個生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)處理器IP公司有了創(chuàng)新點子，他們可以在這個更大的框架中專注發(fā)展。這正是RISC-V的獨特之處，它不僅僅是一個處理器規(guī)格，更是一個開放的協(xié)作平臺?！?/span>從歷史上看，開源硬件的一個問題是質(zhì)量，因為硅芯片中的缺陷檢測成本高昂。OpenHW在解決這一難題中起到了關(guān)鍵作用。Wohlrab提出：“為何我們需要各自為戰(zhàn)，重復(fù)造輪子呢？為何不采用一些基本的構(gòu)建模塊，如基礎(chǔ)芯片，并結(jié)合學(xué)術(shù)界中質(zhì)量可靠的設(shè)計，共同進行構(gòu)建和驗證？我們運用多樣化的工具進行驗證，確保驗證的覆蓋面廣泛而深入，進而使得每個人都能將這些經(jīng)過驗證的模塊應(yīng)用到自家的芯片中，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和批量供應(yīng)?！?/span>

在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，RISC-V架構(gòu)的采用對于各規(guī)模的企業(yè)都帶來了顯著的益處。Hand指出：“當(dāng)前已有多個處理器供應(yīng)商轉(zhuǎn)向RISC-V架構(gòu)，包括Synopsys、Andes以及MIPS等。這一轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力在于RISC-V能夠充分利用整個生態(tài)系統(tǒng)所提供的優(yōu)勢。盡管商品化是這一轉(zhuǎn)變的潛在缺點，但對于客戶而言，它實際上帶來了顯著的益處，因為它允許客戶在設(shè)計流程的后期階段再決定選擇哪種處理器?？蛻羰紫刃枰?a target="_blank">Arm生態(tài)系統(tǒng)和RISC-V之間做出選擇，然后基于這一選擇進行后續(xù)工作。這種靈活性為學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)實踐創(chuàng)造了一系列有趣的動態(tài)。對于開發(fā)和提供知識產(chǎn)權(quán)（IP）的公司而言，他們可以開始探索新的機會，通過基準測試、替換和比較不同的處理器架構(gòu)，以確定哪種架構(gòu)最適合他們的需求。然而，從鎖定視角來看，一旦企業(yè)選擇了RISC-V架構(gòu)，可能會面臨一些挑戰(zhàn)?！?/span>

碎片化

當(dāng)然，系統(tǒng)中會存在一些摩擦。西門子 EDA 產(chǎn)品管理總監(jiān) Geir Eide 表示：“在 RISC-V 的早期，該技術(shù)的貢獻者和消費者之間幾乎保持 1:1 的平衡。如今，RISC-V 消費者有數(shù)千人，但其中只有一小部分人會成為貢獻者。他們之間可能會出現(xiàn)脫節(jié)。例如，如果某個特定市場或區(qū)域的增長速度高于其他市場或區(qū)域，或者其他市場和區(qū)域更為保守，他們往往會更長時間地堅持既定的解決方案。這增加了導(dǎo)致碎片化的風(fēng)險?！边@種趨勢是否會對長期發(fā)展產(chǎn)生影響？“我們不認為 RISC-V 會成為區(qū)域集中，盡管在 RISC-V 提供的廣泛實施選擇中可能會出現(xiàn)區(qū)域集中的情況，”Bluespec 的 Hobbs 表示?！鞍腿_那超級計算機中心就是一個很好的例子，它為使用 RISC-V 的高性能計算創(chuàng)建了一個區(qū)域重點領(lǐng)域。然而，雖然可能存在區(qū)域重點領(lǐng)域，但這并不意味著 RISC-V 標準是或?qū)⒆兊弥щx破碎。事實上，RISC-V 創(chuàng)建和建立的關(guān)鍵原則之一就是防止 ISA 的碎片化，這也是 RISC-V 國際組織一直關(guān)注的核心功能?！比欢?，中國的情況可能有所不同。Arteris 客戶服務(wù)副總裁 John Min 表示：“中國很多公司都在開發(fā) RISC-V 內(nèi)核供內(nèi)部使用，這得到了政府激勵的加速。我認為中國將在嵌入式領(lǐng)域全面采用RISC-V。產(chǎn)品，但這是一條單行道。他們將繼續(xù)利用西方公司的做法并加以改進。中國將繼續(xù)吸收所有進步，例如矢量化或特定領(lǐng)域的特殊加速增強。他們將創(chuàng)造自己的產(chǎn)品并在內(nèi)部將其變成自己的產(chǎn)品，但他們不會給予任何回報。”過去確實出現(xiàn)過類似的分裂現(xiàn)象。Hand指出：“設(shè)計語言就是最近的一個例子?！彼忉屨f，“那時存在地域性的分歧，歐洲專注于VHDL，而美國則選擇了Verilog。對于RISC-V而言，也會出現(xiàn)類似的區(qū)域性分裂，各地的人們會基于本地需求進行各自的開發(fā)。歐洲有專注的項目，印度也有他們自己的項目，但他們都在RISC-V這一框架下進行。他們意識到這樣做是互利的。他們并不是為了造福他人而這么做，最終是為了節(jié)省自己的精力和成本，但他們也認識到，在RISC-V的框架下工作，對所有人都是有益的?！?/span>

雙向性

一個重要因素是每個人都能受益，而且這必須跨越學(xué)術(shù)/商業(yè)界限?！癛ISC-V 推動了學(xué)術(shù)界和商業(yè)組織之間新程度的合作，”Breker 首席執(zhí)行官 Dave Kelf 表示：“值得注意的是，加州克萊蒙特的哈維穆德學(xué)院和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等機構(gòu)已經(jīng)制作了先進的處理器設(shè)計作為教學(xué)輔助工具，并與多家公司合作進行驗證和設(shè)計。OpenHW 集團進一步推進了這一進程，使這些設(shè)計可供業(yè)界使用。這種雙向合作有利于工具提供商進一步增強他們在先進開放設(shè)備上的產(chǎn)品，同時也使學(xué)術(shù)界能夠?qū)⑺麄兊脑O(shè)計改進到商業(yè)質(zhì)量水平。如果我們要看到 RISC-V 成為一種主流的、全行業(yè)的技術(shù)，那么建立良性循環(huán)至關(guān)重要?！睂W(xué)術(shù)界在硬件發(fā)展方面大有可為。SiFive企業(yè)傳播主管 Dave Miller 表示：“大學(xué)的研究人員正在開發(fā)創(chuàng)新的新軟件和硬件，以突破 RISC-V 創(chuàng)新的極限。學(xué)術(shù)界的許多 RISC-V 項目都專注于優(yōu)化 AI 工作負載的性能和能源效率，并且都是開源的，因此整個生態(tài)系統(tǒng)都可以受益。研究人員還積極為 RISC-V 工作組做出貢獻，分享他們的知識并與行業(yè)參與者合作。這些工作組由來自亞太地區(qū)、歐洲和北美的代表組成，他們齊心協(xié)力，共同實現(xiàn)共同目標。”在許多情況下，行業(yè)愿意資助此類項目?！斑@使得研究課題更容易獲得，而不必費盡心機，”漢德說?！叭绻闶且幻┦可?，并且有一個好主意，你可以去做。行業(yè)合作伙伴很容易說，‘我會贊助它。這是一件有趣的事情，我不需要為一個開放式項目分配大量資金。就好像我可以看到這項研究以后如何轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品的聯(lián)系?！边@回饋給了學(xué)術(shù)界?！皩W(xué)術(shù)界已經(jīng)加入 OpenHW，”Wohlrab 說?！巴ㄟ^利用核心并將其產(chǎn)品化，他們得到了可以大批量出貨的芯片。然后他們可以對真正的商業(yè)產(chǎn)品進行研究，看看他們的想法是否能在現(xiàn)實生活中實現(xiàn)。他們得到了真實的數(shù)字，可以看到新分支預(yù)測器帶來的好處?！彼€可以為工具帶來長期利益。“他們希望在某些領(lǐng)域與我們合作，特別是在安全領(lǐng)域，”Synopsys聯(lián)盟營銷管理執(zhí)行董事 Kiran Vittal 表示?！八麄冋谑褂瞄_源 RISC-V 處理器構(gòu)建基于 RISC-V 的子系統(tǒng)，然后學(xué)術(shù)界不僅希望研究 AI 部分，還希望研究安全部分。有博士后或博士生正在研究使用我們的工具來驗證或?qū)嵤┧麄冊诎踩矫嫠龅墓ぷ??！边@激勵 EDA 為大學(xué)提供更好的工具。西門子的Eide說：“盡管大學(xué)和行業(yè)之間一直存在合作，行業(yè)為大學(xué)提供 EDA 工具、IP 核心等，但往往存在一些滯后?！薄霸谠S多情況下（特別是在特定項目的核心領(lǐng)域之外），大學(xué)可以使用舊版本的商業(yè)解決方案。例如，如果你看看新畢業(yè)生的簡歷，過去你會看到對舊技術(shù)的引用，但現(xiàn)在你會看到很多對 RISC-V 相對復(fù)雜使用的引用?！?/p>

向前邁進

這項合作需要繼續(xù)推進。“我們曾計劃為加速器創(chuàng)建一個標準化接口，”Wohlrab 說。“RISC-V International 標準化了如何在 ISA 中添加自定義指令，但沒有硬件接口的標準。所以我們構(gòu)建了這個。這是一次很酷的討論。有來自 Silicon Labs 的人、來自 NXP 的人、來自 Thales 的人，還有幾家初創(chuàng)公司的人。他們聚在一起問，‘我們?nèi)绾尾拍茏屗嫦蛭磥聿⒓铀倨鞣旁诶锩?？’”RISC-V 的應(yīng)用空間正在發(fā)生變化。“最大的轉(zhuǎn)折點是 Linux 和 Android，”Arteris 的 Min 說。“Android 已經(jīng)獲得了一些支持，但當(dāng) Android 和 Linux 都真正得到支持時，它將改變移動應(yīng)用處理器游戲。設(shè)計的數(shù)量將激增。高端設(shè)計的數(shù)量將激增。這需要整個行業(yè)來實現(xiàn)，因為 RISC-V 公司還不足以獨自創(chuàng)造這一點。所有 RISC-V 公司都是合作伙伴，因為我們在處理器級別實現(xiàn)了這種高端設(shè)計?！边@將加深軟件社區(qū)的參與度?！叭绻?a target="_blank">嵌入式軟件開發(fā)人員想在使用自定義指令/加速器的 RISC-V 處理器上運行 Linux，他們需要了解底層硬件，”Bluespec 的 Hobbs 說?！耙_發(fā)復(fù)雜的嵌入式硬件/軟件系統(tǒng)，嵌入式軟件開發(fā)人員和嵌入式硬件開發(fā)人員都必須具備對硬件和軟件互操作性的背景理解。開發(fā)人員必須了解定制處理器如何利用 Linux 硬件中的自定義指令來有效管理和執(zhí)行加速工作負載?！贝舜魏献饕部梢灾卣?EDA 研究?！敖柚?a target="_blank">人工智能，你可以建立預(yù)測模型，”Hand 說?！斑@可以用來識別擴展帶來的變化效果嗎？這意味著什么？存在著一團影響——不是直接以門為單位，因為它會立即爆發(fā)——但可能基于測試套件?！抑烙|及該邏輯的東西會觸及下游，進而觸及設(shè)計的其余部分?！@就是人工智能發(fā)揮重要作用的地方，也是最有趣的領(lǐng)域之一，因為在驗證中存在太多未知數(shù)。當(dāng)人工智能出現(xiàn)時，你所能提供的任何指導(dǎo)或可見性都非常有用。即使它不是 100% 正確，也沒關(guān)系，只要它產(chǎn)生的是假陰性而不是假陽性?！盓DA 公司面臨著巨大的機遇?！拔覀兣c許多開源提供商、OpenHW 集團和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院合作，”Synopsys 的 Vittal 表示。“我們希望在任何處理器設(shè)計方面推廣我們的解決方案，您需要標準工具，如綜合、布局布線、模擬。但也有其他類型的獨特解決方案，因為 RISC-V 非?？啥ㄖ?，您可以構(gòu)建自己的自定義指令。您需要一些特定的東西來驗證這些自定義指令，這就是 Imperas 黃金模型如此重要的原因。我們還與 Bluespec 合作開發(fā)了一種驗證方法，帶您完成功能驗證和調(diào)試?！倍ㄖ苹矫嫒杂幸恍﹩栴}需要解決。“RISC-V 為我們提供了可預(yù)測性，”Hand 說?！拔覀兛梢詣?chuàng)建一個合規(guī)性測試套件，如果您在實施方面，我們可以為您提供處理器優(yōu)化包。我們可以創(chuàng)建分析和測試解決方案，因為我們知道它會是什么樣子。但對于非標準處理器，它實際上是一種服務(wù)，因為每個人的處理器都有點不同。從平臺架構(gòu)探索到整個過程，您會看到大量關(guān)注驗證的原因是因為如果您更改一件小事，例如尋址模式，它幾乎會影響 100% 的處理器驗證。您必須重新測試整個處理器。大多數(shù)人沒有像 Arm 或 Intel 那樣擁有龐大的處理器驗證團隊和基礎(chǔ)設(shè)施，因此他們需要自動化來為他們完成這項工作?！?/p>

結(jié)論

RISC-V 使業(yè)界能夠創(chuàng)建一個協(xié)作框架，使每個人都能出于個人利益而共同合作。這是一種持續(xù)建立的共生關(guān)系，并且隨著時間的推移，它正在創(chuàng)造更廣泛的影響范圍。Hand 表示：“這在現(xiàn)代半導(dǎo)體時代是獨一無二的。你們的合作范圍非常廣泛，處理器制造商、軟件行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、EDA 公司都在一個共同的基礎(chǔ)設(shè)施上工作?！?/p>