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开源的RISC-V能否成为中国“缺芯”的解药?

2020 年 4 月,RISC-V 基金会首席执行官卡利斯塔·雷德蒙德(Calista Redmond)向基金会全体会员发出了一封通知邮件。邮件上写着,“我们现已在瑞士正式成立‘RISC-V 国际协会’”。

2020 年 4 月,RISC-V 基金会首席执行官卡利斯塔·雷德蒙德(Calista Redmond)向基金会全体会员发出了一封通知邮件。邮件上写着,“我们现已在瑞士正式成立‘RISC-V 国际协会’”。

成立 5 年的 RISC-V 基金会原先总部在美国,因为担心受到政治因素影响,搬迁到了一贯以中立著称、有着支持开源传统的瑞士。
诞生于 2010 年的 RISC-V 是一个指令集架构,负责把软件程序的运行逻辑,翻译成 CPU 能够理解的“语言”。开源、允许任何人自由使用,是 RISC-V 最大的特点。相比之下,x86 和 ARM 指令集架构都是闭源的。前者主导了 PC 和高性能计算市场,但只有英特尔AMD 两家厂商可以使用;后者在移动设备和 IoT 低功耗市场占据统治地位,但授权费十分高昂。
近三、四年来,中国科技界越来越多人讨论和采用 RISC-V。随着政治因素对科技行业影响的深化,以及 ARM 被英伟达收购,中国科技公司越发担心,掌握在美国实体手里的 x86 和 ARM 架构,可能会在将来某一天被断供。
相对而言,开源的 RISC-V 没有类似担忧。“对于国内企业来说,RISC-V 基金会总部正式迁移至瑞士是重大利好。”国内一家 RISC-V 处理器厂商“赛昉科技”CEO 徐滔告诉品玩,“这就意味着,采用开源 RISC-V指令集、开源软件和公开标准进行开发,将没有后顾之忧,相信这会给中国处理器 IP 带来自主发展的契机。”


RISC-V 来到中国

时间回到 4 年前,中国本土知道 RISC-V 的人寥寥无几,直到 RISC-V 基金会第一次来到中国举办研讨会。
2017 年 5 月 8 日,第六届 RISC-V 研讨会在上海交通大学微电子大楼报告厅开幕,会议主题是“芯片架构的未来是什么”,超过 200 人参加。该研讨会此前已经举办过五届,但都在美国,2017 年首次来到中国。
“自从 2017 年 RISC-V 在上海交大举行推介会之后,本土对 RISC-V 才有了基本的认知。”徐滔在接受媒体采访时说。
不过,中国本土也有少数人更早看到了 RISC-V 的潜力,比如芯来科技创始人胡振波。他曾在 Marvell(美满电子科技)、Synopsys(新思科技)、比特大陆等多家厂商从事芯片设计工作,自 2016 年就开始研究 RISC-V,并且在 2017 年创建了中国第一个开源的、面向超低功耗领域的 RISC-V 处理器内核 IP 项目“蜂鸟 E203”。

蜂鸟 E203 内核系统示意图
内核 IP 是处理器内部的组成模块,在指令集基础上开发而来。因其具备可复用的条件,所以在芯片设计环节,逐渐分离出来。有公司把内核 IP 做成了一门面向芯片设计者的生意。
RISC-V 指令集架构虽然是开源的,但从指令集开始设计一款芯片,不仅门槛高而且耗时长,因此普遍会采用现成的内核 IP,包括开源的和付费的。
“ARM 在中国的影响力太巨大了,中国由于在芯片处理器内核方面,长期缺乏自主的通用处理器内核,几乎都是购买国外的 ARM 处理器内核核心,这已经形成了习惯。”2018 年被问到 RISC-V 在国内传播的最大阻力时,胡振波说。
“对于 RISC-V 这样一种新的架构出现,很长一段时间大家都是持怀疑态度。ARM 在中国还成立了合资公司,所以 ARM 在中国市场尤其显得强势,使得 RISC-V 在中国的传播,相比别的国家显得更加缓慢。”
一个有影响力的开源内核 IP,自然是 RISC-V 在中国本土普及的利器。在蜂鸟 E203 之前,开源的 RISC-V 处理器内核基本是国外的,并且文档非常匮乏,用户只能将其当做 “黑盒” 学习。胡振波认为,中国需要一款本土简单易上手的、使用 Verilog HDL(一种用于数字逻辑电路设计的语言)编写的开源处理器内核,且需配套相关资料详细讲解,将其 “白盒化”。因此,除了开发蜂鸟 E203,他还写了一本专业书籍《手把手教你设计 CPU:RISC-V 处理器篇》。
不少爱好者、初学者和高校机构,都是从蜂鸟 E203 和这本书开始,逐渐学习和使用 RISC-V 指令集。截至 2019 年 3 月,该项目在 Github 上被 Star 了 627 次,Fork 了 258 次。在基金会列举的开源内核项目中,被 Fork 数量排名第二,被 Watch 数量排名第三,被 Star 数量排名第四。

RISC-V 在中国提速

2018 年之后,RISC-V 在中国本土的接受度和采用度逐渐提高。“很多人在前几年对 RISC-V 没有足够的认知,确实很多客户持观望态度。但是在外部环境变化以及 RISC-V 生态发展趋于完善的情况下,很多客户现在考虑或者已经采用 RISC-V 处理器内核。”徐滔告诉品玩。
外部环境变化,标志性事件莫过于中兴和华为相继被断供关键零部件。2018 年 4 月 16 日,美国商务部禁止美国企业向中兴销售零部件、商品、软件和技术,致使后者业务中的芯片供应出现短缺。2019 年 5 月 16 日,华为被美国列入“实体清单”,芯片危机成为全民讨论的话题,行业端加快芯片自主化。
事实上,中国本土对芯片自主化的尝试,一直没有中断过。“但有两条路被证明是走不通的,一条就是关起门来自己做一套东西,比较典型的就是龙芯。因为芯片还是一个商品,性能再高,没人用就无法体现出价值,所以必须有相应的生态系统发挥价值。第二条路就是跟在别人后面,国内有许多公司做 x86、Arm、IBM Power 的芯片,在某些特殊领域,用这些指令集架构确实可以做一些事情,但是因为受到 ISA(指令集架构)所属公司知识产权(IP)的控制,很难取得成功。” 半导体行业资深人士方之熙在接受雷锋网采访时说。他曾任英特尔副总裁和英特尔中国研究院第一任院长,2018 年被任命为 RISC-V 基金会中国顾问委员会主席。
在特定的大背景下,RISC-V 凭借着开源特性,在中国本土迎来繁荣发展期。
首先从政策层面来看。2018 年 7 月,距离“中兴事件”不到 100 天,上海市政府发布了一份支持软件和集成电路的政策,其中明确提到“支持基于 RISC-V 指令集架构、32 位及以上的处理器芯片的研发及产业化”,并且要求“内核需拥有自主知识产权”。项目实施周期规定在两年内(2018.7.1–2020.6.30)。由此,上海市成为中国本土首个出台政策,支持 RISC-V 指令集的城市。
其次在行业层面,中国本土相关的行业联盟逐渐形成。RISC-V 生态的发展,很大程度上是依靠行业整体,而不像 x86 和 ARM 一样,系于某一家商业公司。比如,在海外 RISC-V 生态建设中,RISC-V 基金会(现更名为“RISC-V 国际协会”)起到了非常重要的作用。
2018 年 9 月,中国 RISC-V 产业联盟成立,聚焦于 RISC-V 产业落地。11 月,中国开放指令生态(RISC-V)联盟在世界互联网大会上成立,中科院计算所倪光南院士任理事长。两个联盟成立的初衷,都是为了推动中国本土 RISC-V 生态的完善,不过中国 RISC-V 产业联盟聚焦于产业落地,中国开放指令生态(RISC-V)联盟更靠近学术界。

而在公司层面,2018–2020 年间中国本土芯片行业涉及 RISC-V 的初创成立和资本运作十分活跃。
2018 年 4 月,阿里巴巴全资收购中天微。9 月,阿里巴巴在云栖大会上宣布,将中天微和达摩院芯片业务进行整合,成立“平头哥半导体”。同月,中天微推出了基于 RISC-V 的自主指令架构 C-SKY,以及第一款 RISC-V 低功耗处理器 CK902,并且很快就获得了松果电子和伏达半导体两家客户。
2019 年 7 月,平头哥发布了 RISC-V IP 核玄铁 910。它支持 16 核,主频可达 2.5GHz,单核性能达到 7.1 Coremark/MHz,较业界主流芯片性能提高 40%,较标准指令性能高出 20%。

据报道,玄铁发布后,全志科技第一时间赶到了平头哥进行测试。一年后,全志科技宣布与平头哥合作开发基于玄铁内核的通用算力芯片,应用于工业控制、智能家居和消费电子等领域,预计 3 年出货 5000 万颗。不过,全志科技采用的是玄铁系列的 906 和 902,性能不及 910。成立于 2007 年的全志科技,是国内老牌的芯片设计厂商,年出货量在亿级以上。过去,他们主要使用 ARM 授权,近年来开始采用 RISC-V 指令集。
胡振波也在 2018 年 6 月 成立了“芯来科技”——一家专门做 RISC-V 内核 IP 的公司。在接受媒体采访时,他如此解释创立公司的初衷:“在我所开发的蜂鸟 E203 面世的时候,基本上还是与国外处于同一起跑线,但是我目睹了国外很多专业 RISC-V 内核 IP 公司陆续出现并飞速发展……国内的 CPU 业界仍然停留在对 RISC-V 的质疑中,迟迟没有行动……我心急如焚,我对我的小伙伴们说,我要创立一家中国大陆专业做 RISC-V 内核 IP 的公司。”
自成立以来,芯来科技已经形成了完备的 IP 产品布局:100 系列、200 系列、300 系列、600 系列和 900 系列,涵盖了从低功耗到中高性能场景,基本能全面对标 ARM 的产品线。

芯来科技 IP 产品总览图
截至 2020 年 12 月,芯来科技的客户已覆盖国内外超 200 家芯片公司和系统公司,并且其客户群体不乏行业头部企业。比如,2019 年 8 月,芯来科技和兆易创新联合推出了全球首个基于 RISC-V 的 32 位通用 MCU(微控制单元),其内核 Bumblebee 由两家公司共同研发。兆易创新是国内 MCU 市场第一梯队选手,其以 ARM 架构为主的 MCU 产品已经跻身高端市场,近年来开始尝试基于 RISC-V 内核的芯片。
芯来科技在资本市场上的表现,也很抢眼:2020 年 8 月,完成了一轮战略融资,领投方是小米长江产业基金;12 月底,又完成最新一轮融资,天际资本领投,中关村芯创集成电路基金、临芯投资和启榕创投跟投,老股东小米长江产业基金、蓝驰创投、新微资本继续追投。

芯片设计平台即服务公司“芯原科技”,也选择了加入 RISC-V 阵营。这家成立于 2001 年的公司,是国内唯一一家在全球半导体 IP 市场中,占有率排进前十的厂商。
谈到为什么会选择 RISC-V 的原因,芯原科技创始人戴伟民表示,芯原作为芯片设计平台即服务公司,除了有设计服务业务之外,还拥有大量的 IP,目前公司拥有包括 GPU、VPU、数据压缩、神经网络处理器、ISP、DPU 等 IP,唯独缺少 CPU IP,这是选择 RISC-V 的重要原因。
关注到中国 RISC-V 生态发展的,还有 RISC-V 指令集的创始团队。他们在 2015 年成立了一家推动 RISC-V 商业化的公司 “SiFive”,获得高通、英特尔和三星三大半导体公司投资。2018 年,由 RISC-V 开创者和业内资深专家组成的团队,在中国建立了一个独立运营的本土企业 “赛昉科技”。

赛昉科技 CEO 徐滔在接受采访时说:“我们团队拥有 IC 产业界 20、30 年经验,笃信中国将成为世界上最大的 IC 市场和原产地,因此在技术和管理上需要有充分的自主权,这是我们成立赛昉科技的初衷。”
赛昉科技与 SiFive 是战略合作的关系,“从公司治理和资本结构来讲,赛昉拥有独立的董事会,投资人也包括来自中国本土的投资机构,企业也是本土独立运营和管理”。
通过自主研发,赛昉科技将 RISC-V 技术进行本土化。比如,2020 年 9 月,赛昉科技发布了首个基于 RISC-V 的人工智能处理平台 “惊鸿 7100”,主要面向自动驾驶、无人机、公共安全、交通管理和智能家居等领域。12 月,赛昉科技推出全球性能最高的面向高性能计算场景的 RISC-V 处理器内核 —— 天枢系列处理器。
“赛昉科技已有 100 多个 Core IP 使用案例。” 徐滔对品玩表示,“比如 2020 年 7 月,紫光旗下新华三半导体就采用了我们的 RISC-V 多核处理器,用于下一代高性能网络处理器中。”
相比专门的芯片厂商,作为一个终端品牌厂商,华米科技在 2018 年 9 月 17 日推出全球首款 RISC-V 可穿戴处理器“黄山 1 号”,让很多人感到意外。

据腾讯一线报道,华米科技最早也在内部做过推演,评估自己做芯片是否有意义,是否找做芯片的公司合作就行了。不过,华米团队很快意识到,芯片等同于硬件的 “心脏”,要想硬件性能好,首先需要固化 “心脏” 的 AI 神经网络,这需要云端大规模的数据才能训练出来。
华米做健康手环积累了大量数据,这是其做芯片的优势所在。而之所以在众多构架中选择了 RISC-V,是因为这个构架的前瞻性,简单、安全、可扩展。早在 2016 年,华米就开始与 SiFive 在芯片领域进行合作,并在 2018 年 6 月与英特尔和西部数码一起投资了 SiFive。不到一年,华米科技又参与投资了法国一家半导体公司 GreenWaves Technologies。这家公司是 RISC-V 开源生态中最早的芯片供应商之一,主要面向低功耗的 IoT 市场。
2020 年 6 月 15 日,华米科技又发布了黄山 2 号芯片。华米表示,相⽐于在可穿戴设备中常⻅的 ARM Cortex-M4 架构处理器,黄山 2 号的整体运算效率提升了 38%。
经过一波快速发展后,中国本土已经形成了完整的 RISC-V 产业链:在产业最上游,是芯片内核 IP 设计公司,这一类公司有阿里巴巴达摩院(中天微)、芯来科技、芯原科技和赛昉科技等;在产业中游,是芯片设计公司,比如兆易创新、全志科技、北京君正和乐鑫科技等;产业下游,是终端品牌厂商,比如华米、小米、华为和阿里巴巴。

从中低功耗到高性能计算

由于 RISC-V 开放、模块化和可扩展性的特性,大部分 RISC-V 产品都聚焦于中低功耗市场,最大应用场景是 IoT。
据芯来科技介绍,由于摩尔定律和登纳德缩放比例定律的相继失效,通用处理器逐渐无法满足对整体系列能效比的追求,基于领域的架构设计(DSA,Design Specific Architecture)的设计理念,逐渐成为共识和趋势。而 RISC-V 架构一个显著的特征,便是开放的可扩展性,便于实现面向特定领域的架构设计。
此外,RISC-V 生态不如 x86 和 ARM 的问题,在 IoT 领域也不是那么突出。这里的生态是指,软件栈是否完善,比如说操作系统。移动设备、桌面设备和服务器,是对软件栈比较依赖的市场。但 IoT 领域,对生态依赖没这么大,是一个天然的“碎片化”市场。
据报道,嵌入式软件协会副理事长何小庆说:“做生态最难的实际是移动市场,其次是桌面、服务器。而 IoT 生态实则要容易得多,IoT 生态链本身就比较短。” 芯来科技 CEO 胡振波也表达了类似的观点:“服务器、桌面的软件生态难以逾越,但在嵌入式领域,软件生态并没有人们想象得那么可怕,甚至并没有什么太大的软件生态。”

而对于碎片化可能会给 RISC-V 生态带来的问题,徐滔认为:“很多人认为RISC-V是开源开放的,很可能存在碎片化问题。我们需要先区分碎片化和多样化。碎片化就是用不同的方法做同样的事情。而多样化是采用不同方式解决不同的问题。所以各种各样符合标准指令集的 RISC-V 处理器,不是碎片化而是多样化,因为实际需求各不相同,这些采用不同 RISC-V 标准扩展指令的处理器解决了不同的问题。”
相比中低功耗市场,RISC-V 在高性能计算领域的发展仍不充分。在接受与非网采访时,徐滔说:“我们认为 RISC-V 经过数年发展,在中低端应用领域已经较为成熟,但是在高性能计算及人工智能应用领域上与其他架构处理器(主要是 ARM)相比较还有差距,相关生态上的资源也有限。”
部分公司看到了 RISC-V 在高性能计算领域的机会,赛昉科技正是其中一家。“高性能计算的新应用场景,对芯片性能和能效提出了新的要求。”徐滔告诉品玩,“但是之前市场上现有的 RISC-V 处理器IP,还都不能满足这类高性能计算的应用场景。”
2020 年 12 月 10 日,赛昉科技发布了全球性能最高的 RISC-V 处理器内核-天枢系列处理器。该系列处理器针对性能和频率做了优化,基于 64 位内核,采用 12 级流水线和 7nm 工艺制程,频率最高可达 3.5GHz,由台积电代工,填补了 RISC-V 在高性能计算应用领域的空白。

RISC-V 本土生态还缺什么?

从中低功耗市场到高性能计算领域,RISC-V 在中国本土逐渐获得更多认可。但相比海外,中国本土的 RISC-V 生态依然有一定的短板。徐滔告诉品玩:“目前来看国内RISC-V生态短板,主要在人才、软件及应用生态等方面。”
细分来看,人才短板逐渐补上,不少学校已经开设或正在规划 RISC-V 的相关培训及课程,各类有关RISC-V的大学竞赛相继召开,相关的书籍也逐渐问世。
“对于软件及应用生态来讲,国内还尚无大型生态的成功案例。”徐滔说,“特别是基础软件,比如编译器、调试器、OS、基础库、上层应用框架等,国内对于此类软件的整体贡献度都有所差距,但是目前的增长相对较快。国内很多本土企业已经在持续完善此类软件,差距正在逐步缩小。”
此外,虽然中国本土的学校、研究机构、企业和个人爱好者对 RISC-V 有很高热情,但在标准的参与和贡献上,目前还是在起步阶段。
THE END
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