RISC-V的魅力究竟何在？SiFive引發(fā)了一場開源芯片設(shè)計(jì)革命

由RISC-V和開源硬件的領(lǐng)導(dǎo)者SiFive公司主辦，燦芯半導(dǎo)體和《中國集成電路》雜志社聯(lián)合承辦的SiFive 2018上海技術(shù)研討會(huì)成功召開。會(huì)后，SiFive CEO Naveed Sherwani博士、首席架構(gòu)師Krste Asanovic 博士（Krste同時(shí)是UC Berkeley教授和RISC-V基金會(huì)主席），運(yùn)營副總裁Shafy Elthouky博士和產(chǎn)品副總裁Jack Kang接受了半導(dǎo)體行業(yè)觀察的專訪，深入分享了RISC-V發(fā)展趨勢、生態(tài)系統(tǒng)及SiFive的商業(yè)模式、市場前景。

開源架構(gòu)的發(fā)展如火如荼，RISC-V更是炙手可熱，放眼全球，已然掀起一場市場化驅(qū)動(dòng)、發(fā)燒友助推的產(chǎn)業(yè)變革：

全球第一大硬盤產(chǎn)商西部數(shù)據(jù)（Western Digital）將以每年10億到20億顆的預(yù)期來推動(dòng)RISC-V,逐步完成全線產(chǎn)品遷移到RISC-V定制架構(gòu)；

MicroSemi提供基于Risc-V+Linux+CNN加速器的AI解決方案；

印度政府則大力資助基于RISC-V的處理器項(xiàng)目，使RISC-V成為了印度的事實(shí)國家指令集；

RISC-V基金會(huì)的會(huì)員已經(jīng)增加到150多個(gè)，大學(xué)、科研院所和企業(yè)大量使用或評(píng)估基于RISC-V的應(yīng)用，參與度之高，覆蓋面之廣，盛況空前；

指令集架構(gòu)的生態(tài)鏈正在成長和完善，工具鏈、RTOS/Linux操作系統(tǒng)的移植等工作都取得關(guān)鍵突破。

那么，RISC-V的魅力究竟何在？

無論模塊化指令集“能屈能伸”，還是甩掉向后兼容歷史包袱“無病一身輕”，再到40多條基本指令“大道至簡”，且使用BSD License開源協(xié)議徹底開放，RISC-V的種種優(yōu)勢，宛如指令集紛繁萬象中的一股春風(fēng)。

一．碎片化？在質(zhì)疑中快速成長?

然而，正如Intel主宰數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，ARM在移動(dòng)領(lǐng)域一騎絕塵，針對(duì)不同應(yīng)用端的處理器架構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)，RISC-V作為后起之秀，需要證明其應(yīng)用和市場前景，先得回答幾個(gè)問題：

1.RISC-V開源架構(gòu)是否會(huì)遇到碎片化引起的兼容性問題？

Asanovic博士指出，從RISC-V設(shè)計(jì)之初，就采用了基礎(chǔ)指令集與擴(kuò)展指令集的方式，?求同存異，只標(biāo)準(zhǔn)化最通用場景，以兼顧“簡單高效”和“靈活多變”。

基礎(chǔ)指令集只包含40多條指令，但已經(jīng)可以用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)具備定點(diǎn)運(yùn)算和特權(quán)模式等基本功能的處理器。擴(kuò)展指令集則提供了一些常用的原子操作指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令等，用戶也可以需要自身需求進(jìn)行自定義。

在應(yīng)用端趨于碎片化的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，我們需要多樣化的定制處理器和芯片；而需求越差異化，指令集碎片所帶來的影響也越小。并且，RISC-V基金會(huì)制定了一系列規(guī)范來保證兼容性，據(jù)Asanovic博士透露，想要使用RISC-V商標(biāo)的公司必須先通過兼容性測試，且當(dāng)某項(xiàng)功能變得非常通用，提出的公司可以向基金會(huì)申請(qǐng)標(biāo)準(zhǔn)化，從而避免不必要的指令分叉和重復(fù)開發(fā)浪費(fèi)。

2.RISC-V的設(shè)計(jì)水平或者說Silicon Performance到底如何？

指令集，是軟件和硬件的接口，在兼容性層面來說是重要的一環(huán)；但是從性能來講，越是復(fù)雜和高性能的處理器，指令集優(yōu)劣所帶來的影響就越小。多年來的經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)告訴我們，指令集架構(gòu)本身和性能的關(guān)系并不大。

Esperanto公司創(chuàng)始人David Ditzel也曾經(jīng)評(píng)估過RISC-V的性能，最后的評(píng)測的結(jié)果是，和ARM/MIPS/SPARC相比，毫不遜色，benchmark的結(jié)果差距在1%之內(nèi)。

芯片是一個(gè)緊密耦合環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)工程，指令集架構(gòu)、RTL、物理實(shí)現(xiàn)、制造、封裝，只有這其中每一個(gè)環(huán)節(jié)都能得到重視和優(yōu)化，才能保證最終產(chǎn)品的性能。所以當(dāng)大家討論RISC-V的性能，更多是要看有沒有足夠多的公司投入，足夠強(qiáng)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在這個(gè)生態(tài)中有所探索。

“對(duì)于小公司來說，RISC-V實(shí)施簡單，這樣就使得開啟許多不同的RISC-V內(nèi)核成為可能，也帶來了市場上的多樣性?！盨herwani博士告訴半導(dǎo)體行業(yè)觀察，處理器設(shè)計(jì)工程團(tuán)隊(duì)可以從多個(gè)供應(yīng)商（甚至是開放源碼）中找到一個(gè)符合他們需求的版本，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行定制，整個(gè)設(shè)計(jì)流程也大大加速。

過去，指令集架構(gòu)的生態(tài)系統(tǒng)的成長是個(gè)很復(fù)雜和漫長的過程，堪稱“十年磨一劍”。同時(shí)，還需要強(qiáng)有力的領(lǐng)跑者帶動(dòng)市場，就像x86有了Windows，x86才真正建立起生態(tài)系統(tǒng)，然后是Linux； Arm有谷歌Android才能造就現(xiàn)在的成功。

對(duì)于RISC-V而言，并非一切都已構(gòu)建完備，Asanovic博士補(bǔ)充道，但是RISC-V的發(fā)展速度之快超出想象。ARM在2004年推出首個(gè)Cortex核，經(jīng)過14年的發(fā)展才形成了整個(gè)Cortex 核系列；RISC-V在2到3年的短短時(shí)間內(nèi)，將達(dá)到Cortex 核的覆蓋度。

Sherwani博士同時(shí)也認(rèn)為，?開源硬件和傳統(tǒng)硬件完全可以并肩共存，各自面向不同的應(yīng)用場景。?ARM、x86、RISC-V仍然會(huì)長期共存，但高墻會(huì)被抹平。

二、芯片設(shè)計(jì)方法的變革?

當(dāng)目標(biāo)是10,000次流片，怎樣才能實(shí)現(xiàn)Mission Impossible？

Sherwani博士回顧他在芯片行業(yè)摸爬滾打數(shù)十年的經(jīng)歷，他告訴半導(dǎo)體行業(yè)觀察，坦率而言，能夠精通很多復(fù)雜的工具的工程師，其實(shí)并不多。假設(shè)，我們想在中國進(jìn)行10,000次流片，如果每次流片都需要30位資深工程師花費(fèi)數(shù)月，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的可能性就微乎其微。

為了突破這一資源瓶頸，SiFive為我們設(shè)想了這樣一種可能，設(shè)計(jì)一款芯片，但不必搭建服務(wù)器，不用安裝EDA工具，不需FPGA驗(yàn)證，甚至不需要版圖和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)！如果那一天真的到來，對(duì)于目前的設(shè)計(jì)流程和工作方式都將是一種顛覆。

而SiFive就在引領(lǐng)這樣一場革命。

Kang指出，很多客戶是從應(yīng)用端出發(fā)，由于最終想要做成一款終端產(chǎn)品，為此定制一款芯片。他們其實(shí)并不想專門成立一個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，并學(xué)習(xí)如何去使用各種復(fù)雜的CAD工具。他們更想要的其實(shí)是在GUI界面上，通過幾個(gè)簡單的按鍵操作，就能夠敏捷開發(fā)一款芯片，快速評(píng)估芯片的性能、面積和功耗。

SiFive SCS是運(yùn)行在云端的軟件和服務(wù)，?跳出了單純計(jì)件賣IP的窠臼，提供基于“云”進(jìn)行IP授權(quán)和芯片定制化的SaaS平臺(tái)。通過圖形化網(wǎng)頁交互界面，客戶可以在線選擇CPU核的配置，選擇合適的IP, 生成前端代碼，進(jìn)行驗(yàn)證，開展后端設(shè)計(jì)，tapeout, 產(chǎn)生文檔等等; 這一切，都在云端實(shí)現(xiàn)。 Elthouky博士介紹，通過“Design Share”策略，SiFive整合第三方IP供應(yīng)商將IP數(shù)據(jù)“上云”，同時(shí)整合開源/商業(yè)EDA軟件上云，在云端完成芯片實(shí)現(xiàn)chisel到RTL的流程。

客戶可以按月、按季度付費(fèi)使用這個(gè)SaaS平臺(tái)，可快速生成數(shù)個(gè)不同的IP。這種云模式，有望解決服務(wù)器、存儲(chǔ)、EDA軟件、IP的整合、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)、軟件集成等多個(gè)問題，針對(duì)小公司和初創(chuàng)芯片公司而言，成本上有可能出現(xiàn)巨大的優(yōu)勢。

通過云端的芯片定制流程進(jìn)行快速驗(yàn)證后，實(shí)際上還有很多需要解決的問題，包括IP集成、制造、封裝和測試等等。為了讓客戶能夠很快地拿到一些樣片，然后再導(dǎo)入量產(chǎn)，SiFive還特別提出了“設(shè)計(jì)工廠” (Design Factory)的理念，通過軟件概念上的Template（物理實(shí)現(xiàn)可能會(huì)非常不同），結(jié)合驗(yàn)證、綜合、PR等自動(dòng)化流程，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。為了向客戶交付快速樣片，SiFive將制造、封裝、測試甚至物流等產(chǎn)業(yè)鏈必備環(huán)節(jié)服務(wù)也考慮在內(nèi)，但就現(xiàn)狀來看，這部分需要投入的資源較多，預(yù)期需要引入更多的合作伙伴。

三．SiFive在中國?

在談及SiFive的市場戰(zhàn)略時(shí)，Sherwani博士強(qiáng)調(diào)，SiFive的目標(biāo)并非與市面上的某一種或幾種核進(jìn)行競爭，而在于針對(duì)客戶的需求，提供優(yōu)質(zhì)、靈活的處理器核，和相應(yīng)的定制化服務(wù)。

那么，長遠(yuǎn)來看，SiFive的核心盈利來源是什么？

Sherwani博士和Asanovic博士均認(rèn)為，?SiFive的長期盈利點(diǎn)來自于終端芯片銷售。

我們看到，IP市場的體量，只占全球半導(dǎo)體銷售額中很小的一部分。SiFive選擇終端芯片銷售作為長期贏利點(diǎn)，也正是源于此考量?？蛻艨吹降膬r(jià)格，并不區(qū)分單獨(dú)IP或者說單獨(dú)SaaS服務(wù)，而是整個(gè)芯片的價(jià)格。盡管芯片的起量需要一個(gè)緩慢的過程，但一旦達(dá)到投資回報(bào)甜蜜點(diǎn)，預(yù)期將帶來可觀的利潤。

SiFive同時(shí)宣布，SiFive將對(duì)全世界的大學(xué)以及世界上最貧窮的50個(gè)國家免費(fèi)提供處理器核。作為一家商業(yè)機(jī)構(gòu)，Sherwani博士指出，SiFive以盈利為目的，但在盈利之上有更高層次的追求。SiFive認(rèn)為世界上的所有國家都有權(quán)擁有自主可控的CPU，RISC-V作為開源指令集是一個(gè)很好的選擇。而就中國市場而言，SiFive在這里看到了足夠大的市場，同時(shí)也希望能夠?yàn)橹袊窈笫?、二十年所需要的處理器，搭建好基礎(chǔ)設(shè)施。

在我們的鄰國印度，RISC-V已經(jīng)成為了印度的事實(shí)國家指令集。印度于2011年開始實(shí)施處理器戰(zhàn)略計(jì)劃，在全國范圍資助2-3個(gè)研制處理器的項(xiàng)目，研制多款基于RISC-V指令集的開源處理器核，累計(jì)獲超過上億美元的經(jīng)費(fèi)支持。

此前，中科院計(jì)算所包云崗教授曾多次呼吁政府重視和支持RISC-V研究。對(duì)此，Sherwani博士也對(duì)未來中國政府將在RISC-V領(lǐng)域加大投入，持非常樂觀的態(tài)度。

Sherwani博士同時(shí)還透露了計(jì)劃在中國建立一家合資公司的規(guī)劃。他提出，和SiFive在美國的融資組合類似，這家合資公司會(huì)從多方獲取資金來源，以確保以相對(duì)去中心化的方式來運(yùn)作，也能夠讓不同的玩家一起加入，共同協(xié)作，一起成長。