物联网红利大,搅局者RISC-V正在突围

  过去几年间,主要基于中兴事件和中美贸易战的发酵,关于国内芯片产业现状与风险的话题频频见诸报端。

  造芯企业不断增多,分散在芯片产业链3大环节,包括上游设计、中游制造、下游封装和测试。产生的业务模式主要有4种,分别是以英特尔、TI、三星为典型的IDM模式,以台积电、联华电子、中芯国际、日月光集团为代表的Foundry模式,以高通、博通、联发科、展讯、海思为代表的Fabless模式,以Arm为典型的Design Service模式(芯片设计服务提供商)。

  那么问题来了,芯片产业链颇为复杂,当我们讨论国内芯片的落后时,主要在说什么?面对国际大厂成熟的资源运作和几近垄断的市场地位,新进造芯企业可以选择哪些技术路径实现突围?

  根据近几年的新闻可以发现,RISC-V开源指令集架构正在国内越来越受到关注。且为避免像此前Arm被美国禁令限制的类似事件再次出现,RISC-V基金会为避开政治风险,已于近期将总部注册地从美国迁移至中立国瑞士,这一举动尤其缓解了国内RISC-V阵营对地缘政治干扰的担忧。

物联网红利大,搅局者RISC-V正在突围

  为什么关注RISC-V?

  据了解,目前芯片国产化主要有两大难点:

  其一是工艺和制造,因为需要的材料、耗材、设备等都被国外企业高度垄断,国内厂商的追赶之路道阻且长。再加上尚未在行业中看到明显的拐点,这一领域仍需要长期且有步骤的投入和积累。

  其二就是关于核心IP、指令集架构的专利。

  中国RISC-V联盟秘书处主任、中科院计算所高级工程师张科曾表示:在各类芯片中,处理器芯片是设计与制造过程中最为复杂的一类,是各国争相抢占的制高点,而指令集架构是处理器芯片的“灵魂”,如果处理器芯片能够基于开放、免费的指令集架构设计,并将设计源代码等文件开源,势必推动芯片及信息产业的新一轮变革。

  什么是指令集呢?

  指令集(ISA)是能够转化程序任务成CPU可理解的底层代码的一项硬程序,说白了就是计算机芯片的底层语言或规范。程序按照某种指令集的规范翻译为CPU可识别的底层代码的过程,就叫做编译。所以指令集的作用主要体现在引导CPU进行运算,确保CPU高效运行。

  1978 年,英特尔率先推出指令集架构——X86 。虽然功耗高,但是性能极强,经过一系列商业化运作以后,比如Wintel联盟,X86几乎垄断了PC芯片市场。

  1985年,Arm的前身Acorn公司在美国加州大学伯克利分校教授提出的对精简指令集研究的基础上,成功研发出了第一款面向低功耗、低成本场景的处理器芯片ARM1。到1990年Arm成立以后,Arm开始采用芯片IP授权的方式经营业务,适逢此后抓住移动电话的机遇,尤其在获得苹果iPhone、谷歌安卓的采用后,ARM指令集最终制霸智能手机市场。

  先发优势、生态积累让英特尔和Arm以垄断之姿昂首屹立于PC和智能手机市场,尽管过程中不断有挑战者,但在已经成熟的市场里争夺,后进者最终还是陷入了“没有生态,用户就是不愿意用”的尴尬境地。

  但如今情况有所不同,当下最有发展前景的物联网和人工智能产业还未产生具有明显垄断地位的指令集架构,给其他企业突围创造了珍贵的窗口期,吸引了不少新玩家的加入。

  实际上,芯片IP设计市场长期被认为易垄断,业界有说法称目前还活着的商用指令集主要也就四种,分别是X86、ARM、MIPS、RISC-V。至于为何是RISC-V有了新的机会,而英特尔或Arm没有直接延续垄断,MIPS也没有趁势而起,除了国家层面的战略选择以外(软件业发达的印度甚至将RISC-V定为国家指令集),主要还是RISC-V有“出圈”的实力,包括其大道至简的原则,模块化、极简、可扩展等特点。

物联网红利大,搅局者RISC-V正在突围

  RISC-V的前世今生

  在江湖中,按照复杂程度可以将指令集分为两种:复杂指令集CISC和精简指令集RISC。

  1981年,美国加州大学伯克利分校的David Patterson教授提出了精简指令集RISC的观点,这与X86那类复杂指令集CISC是相对的,RISC主张精简指令种类和格式,倡导硬件应重点加速常用的指令,达到降低功耗、提高效率的目的。如前所述,Acorn公司正是基于精简指令集的设计理念获得了成功。

  2010年,同样是在美国加州大学伯克利分校,Krste Asanovic教授正在为选择何种指令集来开展他的一系列教育项目而烦恼。在比较过后,因为X86是封闭的,Arm架构授权费太贵,社区化运营的OpenRISC要求所有的指令集改动后必须开源,限制条件颇多……

  最后,Krste教授决定结合现代设计需求,在RISC架构的基础上,抛掉不必要的历史包袱,自己做个开源的CPU指令集架构来使用。

  2014年,Krste团队成功推出了一套基于BSD协议许可的免费开放的指令集架构RISC-V。

  在此不妨解释下BSD,作为一款开源协议,BSD鼓励代码共享,但要求尊重代码作者的著作权。很多企业在选用开源产品的时候都首选BSD协议,因为可以完全控制这些第三方的代码,在必要的时候可以修改或二次开发,这一好处同样激励了企业对RISC-V的采纳。

  2015年,融合了产学研各界的RISC-V基金会正式成立。

  RISC-V基金会是一家非盈利性组织,主要负责维护标准的 RISC-V 指令集手册与架构文档,促进会员间的交流,发展壮大RISC-V生态系统。针对目前业界常质疑的RISC-V因开源产生的碎片化问题,也是基金会主要面对并解决的,比如RISC-V处理器的定义来自基金会,在发布前需要进行严格的测试,企业才可合法地将其称为RISC-V处理器;比如基金会认为过多的自我定制意味着一开始就放弃了RISC-V指令集的原有优势,企业没有理由这么做。

  日前,基金会治理架构做出调整,指明只要缴纳每年25万美元的会员费,就能自动获得董事会成员席位和技术指导委员会席位,从而帮助全世界企业拥有相同的机会争取话语权。

  迄今为止,该基金会已吸引了全球28个国家327多家会员加入,包括谷歌、英伟达、高通、三星、西部数据、NXP、赛昉(SiFive)、晶心科技(Andes)、阿里巴巴、华米科技、猎户星空都是其中重要的白金会员,国内加入该基金会的成员达到30家。

  2018年,国内也开始围绕RISC-V开展各项工作。

物联网红利大,搅局者RISC-V正在突围

国内两大RISC-V联盟

物联网红利大,搅局者RISC-V正在突围

本土范围内投入RISC-V研发的部分企业

  相比于市场上任何一种指令集,RISC-V着实属于萌芽期,有企业在积极投入,还有众多企业在密切关注。有数据显示,中国有300家以上公司在关注RISC-V或以RISC-V指令集进行开发。联系到上海市经信委2018年发布的RISC-V支持政策,可想而知中国对于RISC-V的兴趣正在自上而下凝聚成为共识。

  RISC-V在物联网市场大展拳脚

  X86和ARM在物联网领域的限制,主要是成本的问题,包括产权费用。RISC-V指令集开源的特点,使得企业可以节省这部分的经费,同时RISC-V支持模块化和可扩展,支持用户使用和修改架构后进行商用,且不做代码上的公开,保护了企业的商业利益,这与另一例开源指令集项目OpenRISC强制企业共享任何的创新有本质不同。此外RISC-V目前已获得大量的开源实现和流片案例,在进程上相比其他开源项目更加领先。

  尽管如此,RISC-V目前也没有和ARM对打的能力,原因主要是生态和软件成熟度的问题,以及缺乏商业成功的典型产品,类似当年ARM+苹果,ARM+安卓的案例。

  在此可以多提几句,为什么总是要如此强调生态?笔者认为,这里说的生态包括开放架构标准+硬件生态+工具链软件生态+应用软件生态等,生态形成以后,开发者可以快速上手,相应的软硬件应用将实现大规模爆发。

  所以短期内,ARM依然会占据中高端市场,RISC-V主要在一些碎片化的新兴市场展开应用,比如物联网领域的轻终端场景,这些场景有低功耗低成本的需求,但是往往程序不用大改、对软件生态的依赖性不高、出货量又很大,符合RISC-V阶段性的发展目标。

  就像去年TWS蓝牙无线耳机大火,结合该应用需要考虑小型、快速、低功耗的特性,紫光展锐对应推出了采用RISC-V处理器的TWS真无线蓝牙耳机芯片—春藤5882,中科蓝讯选择RISC-V指令集作为蓝牙SOC指令研发的基础,这两家在TWS芯片方面都已实现大规模出货。

  另据分析机构Semico Research预测,到2025年,市场将总共消费624亿个RISC-V CPU核心。(子午物联ziwuiot.com)虽然和基于Arm出货量在2019年10月就超过1500亿相差甚远,但不妨碍产业畅想未来物联网是否真的能催生新的IP公司。

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