嵌入式芯片RISC-V未來前景如何

RISC-V是一種開源的指令集架構(gòu)，它不是一款CPU產(chǎn)品。一個(gè)CPU支持的指令和指令的字節(jié)級(jí)編碼，就是CPU的指令集(ISA)。ISA在CPU軟件和CPU硬件設(shè)計(jì)者之間，提供了一個(gè)抽象層(接口)。不同的CPU家族，例如Intel X86、IBM/Freescale PowerPC和ARM，都有不同的ISA。RISC-V是其中唯一的開源ISA，它起源于加州伯克利大學(xué)，采用開源BSD license，任何企業(yè)、大學(xué)和個(gè)人都可以遵循RISC-V架構(gòu)設(shè)計(jì)CPU，現(xiàn)在全球已有幾十個(gè)開源版本RISC-V CPU核。

商業(yè)公司定制適合自己使用的RISC-V內(nèi)核，比如西部數(shù)據(jù)的SweRV(RISCV 32IMC Core)，還有一些商業(yè)IP公司開發(fā)RISC-V CPU IP，比如名氣最多的SiFive 已經(jīng)有E和S核2、3、5、7四大系列，覆蓋32位—64位嵌入式和高端應(yīng)用處理器領(lǐng)域。

如何管理RISC-V開源項(xiàng)目?RISC-V基金會(huì)成立于2015年，由超過235名成員組成，其中有20家中國(guó)機(jī)構(gòu)。它是開放、協(xié)作的軟件和硬件創(chuàng)新者社區(qū)，基金會(huì)指導(dǎo)未來發(fā)展并推動(dòng)RISC-V ISA廣泛應(yīng)用。中國(guó)有RISC-V產(chǎn)業(yè)和中國(guó)開放指令生態(tài)(RISC-V)兩個(gè)聯(lián)盟，推動(dòng)RISC-V在中國(guó)的發(fā)展。

RISC-V最大的優(yōu)勢(shì)就是開源和免費(fèi)。免費(fèi)意味著RISC-V可以幫助開發(fā)者低成本完成CPU設(shè)計(jì)，如果最終量產(chǎn)，那么就免去面對(duì)版稅糾紛。ISA開源意味著開發(fā)者可以針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景，比如近期火熱的AIoT市場(chǎng)，創(chuàng)造自己的AIoT芯片架構(gòu)。當(dāng)然，基金會(huì)鼓勵(lì)使用RISC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)模塊或者組合。比如，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)(ETH Zurich)開源的Zero-riscy 內(nèi)核，采用是RV32IMC，RV32I指令加上M擴(kuò)展和C擴(kuò)展，M指的整數(shù)乘法和除法，C指的是壓縮。NXP織女星開發(fā)板(VGEA)MCU采用的就是Zero—riscy開源內(nèi)核。

RISC-V第二個(gè)優(yōu)勢(shì)就是簡(jiǎn)單。基礎(chǔ)指令集只有40多條，短小精悍的架構(gòu)和模塊化指令集讓使用RISC-V技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)者，可以開發(fā)出很簡(jiǎn)單的RISC-V CPU。該CPU功耗可以很小，代碼密度也比較低。為了滿足嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)對(duì)代碼體積的高要求，RISC-V定義了一種可選的壓縮(Compressed)指令子集，由字母C表示，也可以由RVC表示。測(cè)試表明，RV32C的代碼體積相比RV32的代碼體積減少了40%，與ARM、MIPS和x86等架構(gòu)相比，都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，甚至與ARM Thumb-2基本一樣。

RISC-V第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是靈活性。RISC-V架構(gòu)通過預(yù)留大量的編碼空間和4條用戶指令，可以幫助用戶擴(kuò)展指令集。這個(gè)特性在現(xiàn)在的AIoT和信息安全市場(chǎng)，獲得了特別的關(guān)注。RISC-V商業(yè)IP公司，比如，Andes(晶心科技)，還提供了定制化指令工具Andes Custom Extension，讓用戶在做應(yīng)用加速的時(shí)候，可以達(dá)到更快、更有效率的方式。

多核異構(gòu)是RISC-V架構(gòu)芯片設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)，比如，法國(guó)GreenWave開發(fā)的Gap8 CPU，內(nèi)置8個(gè)RISC-V內(nèi)核和AI加速器，功耗優(yōu)化的很低，面向AI邊緣技術(shù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

決定一款CPU是否能夠廣泛普及的因素中，架構(gòu)和指令集并不是最重要的事情。歷史上X86橫掃桌面電腦、POWERPC獨(dú)占通訊設(shè)備、ARM稱雄移動(dòng)終端，以及8051/PIC/MSP430/ATMEL百花齊放單片機(jī)世界，重要的是CPU所擁有的生態(tài)環(huán)境。比如，一款通用的嵌入式CPU，需要讓開發(fā)者很方便地接觸到中文資料文檔、簡(jiǎn)單易用的開源商業(yè)開發(fā)工具、固件庫(kù)、軟件庫(kù)、嵌入式OS和Linux以及豐富設(shè)計(jì)方案。

生態(tài)建設(shè)最漫長(zhǎng)的環(huán)節(jié)是大學(xué)計(jì)劃。大學(xué)計(jì)劃做的好，學(xué)生從畢業(yè)開始，就已經(jīng)掌握CPU的架構(gòu)和使用方法。比如，高校的微機(jī)原理課程長(zhǎng)期以X86和ARM為基礎(chǔ)，嵌入式課程多是ARM架構(gòu)，單片機(jī)課程除了ARM還有一些8051。

現(xiàn)有的CPU架構(gòu)多是通用性的。在IoT場(chǎng)景中，許多智能分析工作正在向邊緣轉(zhuǎn)移。根據(jù)特定的需求，使用RISC-V架構(gòu)定制化IoT芯片更靈活，而且有針對(duì)性。現(xiàn)在RISC-V架構(gòu)的設(shè)計(jì)，除了基礎(chǔ)的指令集保證系統(tǒng)軟件、開發(fā)環(huán)境的兼容性之外，它本身允許按照新的不同開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展，這樣可以保證IoT應(yīng)用中的專用性需求。

NXP中國(guó)MCU高級(jí)經(jīng)理梁平最近撰文指出：“對(duì)于這種非標(biāo)準(zhǔn)的部分，將較難受益于豐富的生態(tài)機(jī)制，其生產(chǎn)廠家自行提供相應(yīng)的支持和配套的解決方案，例如需要修改編譯器以支持新的指令、需要增改配置調(diào)試工具以適應(yīng)新的總線或存儲(chǔ)接口等?！?/p>

物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式將是RISC-V 最先落地和最大的應(yīng)用市場(chǎng)。因?yàn)樯鷳B(tài)的關(guān)系，相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，RISC-V將與ARM同行發(fā)展，即一個(gè)設(shè)計(jì)中，既能使用ARM也能使用RISC-V，或者同一顆芯片里，可以同時(shí)有兩種內(nèi)核。RISC-V發(fā)展中要防范碎片化，聯(lián)盟應(yīng)加強(qiáng)引導(dǎo)，先是做標(biāo)準(zhǔn)化，共同做大RISC-V蛋糕，然后才是差異化。未來RISC-V生態(tài)環(huán)境要從圍繞芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向開發(fā)者教育和實(shí)踐階段。據(jù)悉今年夏末，國(guó)內(nèi)某著名MCU企業(yè)將推出RISC-V通用MCU，屆時(shí)RISC-V“談芯”將轉(zhuǎn)向“用芯”，智聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的嵌入式開發(fā)者將更方便的評(píng)估和使用RISC-V這一新技術(shù)。