異構(gòu)崛起，RISC-V有哪些新的成長(zhǎng)動(dòng)力？

“大門(mén)關(guān)閉前，總要留個(gè)窗戶”。對(duì)于RISC-V的快速發(fā)展，業(yè)內(nèi)多數(shù)認(rèn)為它的確是應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體管制的一條路徑。不過(guò)，盡管此前多出于供應(yīng)鏈安全考慮，但隨著性能不斷提升、產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善、生態(tài)不斷構(gòu)建，RISC-V的商業(yè)化價(jià)值將逐步凸顯。

RISC-V有哪些新的成長(zhǎng)動(dòng)力？如何繼續(xù)做大做強(qiáng)？

高速成長(zhǎng)，為什么是RISC-V？

縱觀芯片史上的指令集架構(gòu)，開(kāi)源指令集并不是一件新鮮事，比如一度被業(yè)內(nèi)認(rèn)為可以比肩ARM、X86、成為全球三大主流架構(gòu)之一的MIPS?？芍^風(fēng)靡一時(shí)，但隨著新應(yīng)用的崛起和對(duì)手的激烈競(jìng)爭(zhēng)，最終還是難逃一聲嘆息。

反觀RISC-V，十二、三年間得到了迅速發(fā)展。其開(kāi)放架構(gòu)優(yōu)勢(shì)固然被業(yè)界認(rèn)可，并且在其他架構(gòu)存在不授權(quán)或不供應(yīng)等風(fēng)險(xiǎn)的背景下，RISC-V架構(gòu)也被認(rèn)為是本土芯片換道超車的機(jī)遇。那么，除此之外，打造一個(gè)成功的指令集架構(gòu)生態(tài)還需要哪些努力？還有哪些成長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力？

Calista Redmond表示，在過(guò)去的50多年，確實(shí)有不同的指令集架構(gòu)曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)，但是只有兩種指令集架構(gòu)與眾不同，并且站穩(wěn)了腳跟，這就是X86和ARM架構(gòu)，原因就是它們?cè)诠ぷ髫?fù)載、規(guī)模以及縱向的整合能力方面表現(xiàn)突出。

她指出，移動(dòng)終端的計(jì)算方式不同以往，在這個(gè)新的時(shí)代，一個(gè)指令集架構(gòu)是否能夠成熟豐富，取決于多種因素。首先是生態(tài)的建立，要形成一個(gè)完整的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)，能夠吸引更多的合作伙伴和客戶參與其中；其次是商業(yè)模式的問(wèn)題，即如何建立可持續(xù)的商業(yè)模式，為參與者提供經(jīng)濟(jì)利益和增長(zhǎng)空間；最后是指令集架構(gòu)本身的問(wèn)題，包括架構(gòu)的靈活性、性能、功耗等方面。

在當(dāng)前的指令集架構(gòu)中，開(kāi)放和合作變得尤為重要。指令集架構(gòu)的開(kāi)放，指的是允許任何人自由使用、修改和定制，使得設(shè)計(jì)者和開(kāi)發(fā)者能夠擁有更大的自由度，避免深度捆綁帶來(lái)的局限性；合作則是指令集架構(gòu)與不同的合作伙伴和客戶之間的合作關(guān)系，通過(guò)各方合作，共同推動(dòng)指令集架構(gòu)的發(fā)展，建立一個(gè)更加完善的生態(tài)系統(tǒng)。

Calista Redmond指出，一種架構(gòu)被多方所擁抱、采納，歷來(lái)是以波浪式的方式所進(jìn)行的。有的公司愿意做“第一個(gè)吃螃蟹的人”；有的公司愿意做 “等待者”，他們要看到更多同類型公司采納，才會(huì)有意愿進(jìn)行投入；還有的公司是“后來(lái)者”，要在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)建立之后才會(huì)邁出腳步。

對(duì)于多數(shù)公司來(lái)說(shuō)，被客戶推動(dòng)是最大因素，比如客戶提出的授權(quán)條款、兼容性等要求，能夠帶來(lái)最大的影響力，也是他們選擇新架構(gòu)的驅(qū)動(dòng)因素。

異構(gòu)崛起，RISC-V扮演什么角色？

通用算力+AI算力驅(qū)動(dòng)的多樣性計(jì)算時(shí)代正在到來(lái)，在未來(lái)的異構(gòu)算力中，RISC-V將扮演什么角色？主要有哪些增長(zhǎng)潛力？

包云崗表示，AI算力需求確實(shí)在不斷增加，但同時(shí)要注意到，AI算力的增長(zhǎng)離不開(kāi)通用計(jì)算的支持。一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用不僅僅涉及AI計(jì)算，還包括其他各種類型的計(jì)算任務(wù)。以自動(dòng)駕駛為例，自動(dòng)駕駛芯片不僅需要具備AI加速能力，還需要通用高性能CPU的支持，這種組合才能滿足包括自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在內(nèi)的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景需求。

此外，在支持大模型運(yùn)算時(shí)，數(shù)據(jù)遷移也是一個(gè)重要問(wèn)題。由于數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于單個(gè)算力卡的存儲(chǔ)容量，因此需要在CPU和算力卡之間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)遷移，這其實(shí)對(duì)計(jì)算性能也有很大的影響。高性能處理器如果具備更好的I/O加速能力、數(shù)據(jù)搬移能力，就可以加速這類大模型訓(xùn)練的場(chǎng)景。

在這兩種典型的算力需求增加的場(chǎng)景中，RISC-V其實(shí)都可以發(fā)揮重要作用。通過(guò)提供高性能的RISC-V架構(gòu)，有助于在更多領(lǐng)域創(chuàng)造新的架構(gòu)，從而提高計(jì)算效率。

“比如將RISC-V單元和AI加速器集成到一顆芯片中，就不再需要通過(guò)PCIe等總線進(jìn)行長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)遷移。在一顆芯片內(nèi)部，帶寬還可以得到數(shù)量級(jí)的提升，這將為我們帶來(lái)許多創(chuàng)新機(jī)會(huì)”。包云崗強(qiáng)調(diào)，“我相信RISC-V的開(kāi)放性能夠帶來(lái)更多創(chuàng)新機(jī)會(huì)，滿足不斷增長(zhǎng)的算力需求，在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高效的計(jì)算?！?/p>

短板面前，更需共建生態(tài)

盡管應(yīng)用百花齊放、商業(yè)落地也在摸索中積極前行，但不可回避的是，RISC-V仍存在短板，比如工具鏈不完善、應(yīng)用軟件生態(tài)不夠豐富等。如何提升這些短板、進(jìn)一步促進(jìn)RISC-V的生態(tài)壯大？

武延軍表示，早期的RISC-V應(yīng)用主要集中在嵌入式領(lǐng)域，以微控制器（MCU）為代表，當(dāng)時(shí)的生態(tài)非常小。隨著處理器能力不斷升級(jí)，應(yīng)用越來(lái)越豐富，面向PC、甚至服務(wù)器的處理器也誕生了。也就是說(shuō)，只有處理器能力不斷提升，才會(huì)有大量軟件可以運(yùn)行，才會(huì)真正顯現(xiàn)出生態(tài)的影響力。

工具鏈?zhǔn)擒浖_(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)芯片來(lái)講，必須要有編譯工具鏈才能把它的指令集特性發(fā)揮出來(lái)。而工具鏈一般有兩種方式，一是廠商自己開(kāi)發(fā)，提供的是私有的工具鏈；另一種是行業(yè)共同打造一個(gè)公共的工具鏈，這對(duì)RISC-V來(lái)說(shuō)是更為適合的一種方式。

他以中國(guó)科學(xué)院在做的RISC-V原生操作系統(tǒng)為例，除了要做Linux Kernel適配之外，最主要是做相應(yīng)的編譯工具鏈，已經(jīng)在GCC、LLVM（開(kāi)源編譯器框架）上做了大量的指令集相關(guān)后端的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，跟隨RISC-V國(guó)際基金會(huì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程提供相應(yīng)的參考實(shí)現(xiàn)，讓行業(yè)伙伴在討論標(biāo)準(zhǔn)時(shí)有據(jù)可依，甚至可以給標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程反饋問(wèn)題，促進(jìn)完善。目前看來(lái)，工具鏈的參與方越來(lái)越多，功能越來(lái)越完善?，F(xiàn)在大家也都意識(shí)到，工具鏈應(yīng)該共建，共同推動(dòng)RISC-V生態(tài)發(fā)展。

在全球的開(kāi)源軟件生態(tài)方面，RISC-V的步伐在加快。包括Google的Android開(kāi)源版本AOSP、openEuler等，都已將RISC-V作為官方支持的指令集標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

“這可能是以前看不到的景象，但在過(guò)去一年多時(shí)間，我們陸續(xù)看到了，很多知名開(kāi)源社區(qū)、開(kāi)源操作系統(tǒng)發(fā)行版都在支持RISC-V。RISC-V在軟件生態(tài)建設(shè)的路上，以后會(huì)越來(lái)越快”。武延軍表示，“中國(guó)科學(xué)院軟件研究所希望能把基礎(chǔ)軟件做成RISC-V的‘?dāng)?shù)字公共品’，持續(xù)打造RISC-V基礎(chǔ)軟件生態(tài)。”

五種商業(yè)模式，存在變革機(jī)會(huì)

當(dāng)前，多數(shù)初創(chuàng)企業(yè)仍采用傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式和商業(yè)模式，開(kāi)源RISC-V所蘊(yùn)含的價(jià)值被充分挖掘了嗎？RISC-V更大的商業(yè)機(jī)會(huì)到底在哪里？包云崗認(rèn)為，大致存在以下五種商業(yè)模式：

第一種是復(fù)制傳統(tǒng)的ARM模式，創(chuàng)業(yè)公司有機(jī)會(huì)成立RISC-V IP公司，提供自研的IP核或Chiplet。

第二種是針對(duì)高價(jià)值、高性能領(lǐng)域（比如服務(wù)器、自動(dòng)駕駛等），通過(guò)自研處理器核、Chiplet和SoC，可省去高檔次ARM IP核高昂的授權(quán)費(fèi)，并且可自由定制和擴(kuò)展。

第三種是面向某個(gè)特定的量大的應(yīng)用場(chǎng)景。由于RISC-V允許靈活定制和擴(kuò)展，初創(chuàng)企業(yè)可以自研或基于開(kāi)源RISC-V處理器核開(kāi)發(fā)專用芯片。比如中科藍(lán)訊基于RISC-V的TWS耳機(jī)芯片，一年有將近10億的出貨量，營(yíng)收超過(guò)十幾億，就是很典型的代表。

第四種是類似于TI的方式，做平臺(tái)型企業(yè)。由于RISC-V允許企業(yè)靈活定制，因此有機(jī)會(huì)參考TI模式創(chuàng)建一個(gè)平臺(tái)型公司，為中小用戶提供“一站式芯片設(shè)計(jì)服務(wù)”，滿足面向千億量級(jí)IoT場(chǎng)景的成千上萬(wàn)種定制芯片需求。

第五種是復(fù)制開(kāi)源軟件領(lǐng)域的商業(yè)模式，典型代表就是Linux+RedHat模式，即基于開(kāi)源主線提供高質(zhì)量的商業(yè)發(fā)行版，供下游企業(yè)使用，RISC-V領(lǐng)域目前還沒(méi)出現(xiàn)這種模式。基于開(kāi)源的RISC-V實(shí)現(xiàn)（比如香山），有機(jī)會(huì)成為CPU領(lǐng)域的RadHat，為下游SoC芯片設(shè)計(jì)企業(yè)提供IP產(chǎn)品和設(shè)計(jì)服務(wù)。

包云崗認(rèn)為，多數(shù)初創(chuàng)企業(yè)都屬于前三種商業(yè)模式，基本上是對(duì)現(xiàn)有ARM方案的替換，商業(yè)模式比較清晰，可以復(fù)用現(xiàn)有的芯片開(kāi)發(fā)工具。相應(yīng)地，這幾種模式的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)更激烈。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，模式四、五還是一片藍(lán)海，存在很大的顛覆性技術(shù)變革的機(jī)會(huì)，若在一些技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，可能會(huì)對(duì)整個(gè)芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)顛覆性影響。并且，可以和前三種模式很好地融合起來(lái)，支撐前三種模式的發(fā)展。

寫(xiě)在最后

今年年初，RISC-V被《麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論》選為十大突破性技術(shù)之一，理由是“芯片設(shè)計(jì)正在走向開(kāi)放，靈活、開(kāi)源的RISC-V有望成為改變一切的芯片設(shè)計(jì)”。

Counterpoint Research預(yù)測(cè)，到2025年時(shí)采用RISC-V架構(gòu)的芯片數(shù)量將增長(zhǎng)至800億顆，屆時(shí)，RISC-V將占據(jù)全球14%的CPU市場(chǎng)、28%的IoT市場(chǎng)、12%的工業(yè)市場(chǎng)和10%的汽車市場(chǎng)。

新一輪芯片設(shè)計(jì)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革的浪潮正在到來(lái)，這將帶來(lái)很多新機(jī)遇，甚至推動(dòng)產(chǎn)業(yè)重新洗牌。與x86、ARM相比，無(wú)論是生態(tài)、軟件規(guī)模還是性能優(yōu)化程度，RISC-V仍有明顯不足。但是，處理器能力的不斷增強(qiáng)、軟件生態(tài)的不斷豐富，確實(shí)在逐步奠定它不可阻擋的上揚(yáng)趨勢(shì)。

編輯：黃飛

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