RISC-V的進擊與糾結

“三分天下有其一”。

當談及RISC-V在未來全球芯片架構格局中的地位,中國工程院院士倪光南如是說。

倪光南在RISC-V中國峰會2021上發言

而倪光南口中聲稱將與RISC-V“三分天下”的,一面是英特爾設計且由其主導建立起瞭電腦生態帝國的x86架構;一面是默默耕耘數十年,乘著移動手機東風打通瞭安卓、IOS兩大手機系統的Arm。

從現在的市場份額來看,RISC-V還隻是個“弟弟”。別說“三分天下”, 當前RISC-V架構連Arm、x86架構下性能相仿手機、電腦的CPU都未能成型。

然而就是這個“弟弟”,卻在6年的時間裡,建設成國際型芯片架構產業鏈企業基金會——RISC-V International。2021年基金會公司成員數量增加292傢,增長27.5%。

6年的時間,與2015年創建之時的36傢企業相比,這一國際基金會參與企業的數量,增長瞭50多倍。

難道“三分天下”真的指日可待瞭?

來勢洶洶,架構巨頭虎軀一震

先看一組數據。

截至2021年12月,RISC-V International基金會集團成員比年初增長瞭130%,達到24278名。

截至2021年12月,RISC-V International 企業成員來自70多個國傢,企業成員數量增長至2000多傢,與2015年初創時相比增長瞭50多倍。

截至2021年12月,全球范圍內產出的RISC-V核累計超過20億顆。這是RISC-V在其誕生第11年創下的數據。遠超x86、Arm架構出現後同期數據。

當前,已有近100款不同門類及型號的RISC-V芯片應用於雲端、移動、高性能計算核機器學習等多個產業。

據Semico Research預測,至2025年,全球市場RISC-V核產量會累計超過600億顆,其中在工業應用領域會超過167億顆,年復合增長率為146%。

RISC-V收入正呈指數級增長

(圖源:德勤咨詢)

成員數量之多、增長速度之快,不禁讓人浮想聯翩。

如果說數據不能說明問題,那麼大廠的所作所為或許能讓人看破一二。如果RISC-V能成氣候,直接影響到的,將是其競爭對手——X86、Arm、MIPS三傢架構的利益。RISC-V與上述三傢架構號稱全球四大架構。2021年3月,MIPS公司正式宣稱放棄自研架構,轉身研發RISC-V。同月,CPU市場老大哥英特爾首席執行官Pat Gelsinger也宣佈,將對外開放基於7nm的SiFive IP代工制造業務。英特爾還稱,基於7nm RISC-V架構的Horse Creek開發平臺將於2022年登場,而基於X86的7nm Meteor Lake處理器則是在2023年實現量產。這意味著在英特爾的規劃中,7nm在RISC-V架構上實現應用將不晚於X86,甚至還會跑在X86的前頭。

而為英特爾Horse Creek平臺提供IP架構的,正是全球第一傢RISC-V架構設計企業SiFive,這傢企業可以說是與RISC-V架構的誕生同本同源,其創建人同樣起源於美國加州大學伯克利分校。2021年6月,英特爾曾想花20億美元將當時市值約5億美元的SiFive收入囊中,但此交易沒能達成。溢價3倍收購,不難看出英特爾對RISC-V壯大將會產生對自己市場的隱憂。而不接受並購,不僅透露出SiFive的狼子野心,更顯示出這一與RISC-V密切相關的企業對該架構未來前景的看好。

RISC-V國際基金會成員示意圖

RISC-V威脅的不僅僅是X86,其最為虎視眈眈的,是盤踞移動端架構市場寶座的Arm。

低功耗是Arm能夠贏得移動端市場的制勝法寶。而RISC-V在低功耗方面也毫不遜色。甚至還將獲得更優的低功耗效果。由於RISC-V是模塊化的,芯片設計者可以根據自己的需求,對不需要的模塊進行拆解。用芯來科技創始人胡振波的話來說,RISC-V的模塊化特性,類似按需點餐的中餐,而Arm是類似一價全包的自助餐。自助餐可能會提供很多客戶不需要的冗餘功能,而單點餐就允許客戶根據自己的需要自主選擇。如此一來,芯片設計模塊化便能夠極大的提升產品的靈活度和,使得設計與應用更加匹配。

胡振波在接受《中國電子報》記者采訪時表示:“目前市場上的RISC-V CPU IP 性能大多處於對標Arm的M系列、R系列及入門級的A系列產品的范圍內。”胡振波表示,RISC-V在端側物聯網和雲側專用計算領域應用最為活躍。特別是在端側RISC-V架構IP覆蓋瞭AIoT、安全芯片等應用場景,而這些在過去都是Arm占主導地位的領域。當前,RISC-V CPU商用版 IP相比同檔次的Arm產品具有很大的價格優勢,這無疑對Arm的市場份額造成瞭一定的沖擊。 

成也開源,敗也開源?

眾人拾柴還是搭便車?

RISC-V之所以被寄予厚望,很大程度上是在於其開放性。在芯片核心技術的國際爭奪愈演愈烈的今天,如何保證芯片產業鏈、供應鏈安全,是所有國傢和相關企業關註的核心問題。

開放性,是各企業選擇RISC-V架構、選擇加入RISC-V International基金會的重要原因。類似於5G標準委員會的運營模式,RISC-V國際基金會成員需要各自貢獻基於RISC-V指令集的CPU架構,共同為RISC-V標準建言獻策,哪傢企業提出的解決方案更優,就更容易被采納為RISC-V標準方案。而各傢公司往基金會中的投入,也將服務於RISC-V方案研發。指令集開源,各傢開發的指令集自願開源,各芯片設計企業各自依據RISC-V標準指令集開發適合自己的指令集,或者尋求RISC-V IP供應商協助。核心指令集的開源,為芯片設計公司保證自身供應鏈自主可控提供瞭可能性。共建共享的機制也給RISC-V架構的快速更新迭代提供瞭機會。

 

RISC-V中國峰會2021系列活動

(圖源:RVBoards)

然而,也有企業詬病開放的產業體系可能帶來的弊端:搭便車。

當談及當前RISC-V產業面臨的問題,工具鏈不健全、產業生態不完善是記者在采訪企業過程中最常聽到的答案。

而RISC-V工具鏈企業澎峰科技聯合創始人王軍輝在接受《中國電子報》記者采訪時提及:“想要完善工具鏈,健全完善的產業生態,是需要RISC-V產業鏈企業共同投入的。不能隻想著吃‘免費的午餐’。”王軍輝表示,若是每個企業都想著,當別人做出來瞭,我拿來用就好瞭,那麼RISC-V的開源項目就建設不起來。

“如果每個人都希望去免費地獲得一些東西,他一定是不會自由的。”王軍輝說,“一顆成功的智能芯片,RISC-V隻是一種基礎的關鍵技術,並不是芯片的全部,還包括大量的其他IP,SoC設計工作,工具鏈,基礎軟件和應用研發,AI的權重也將越來越大。同樣,芯片也不是產品的全部,產品是整個產業鏈分工協作和努力的結果。”

他認為,RISC-V的開源理念應該貫徹到整個產業鏈,產業鏈夥伴應該協同起來以各種形式來支持和投入開源項目的建設,否則,中國企業將繼續錯過這個難得的發展機遇期。

三大攔路虎,怎麼除?

對於RISC-V而言,其發展仍處於初期階段。

芯原股份創始人、董事長兼總裁戴偉民在接受《中國電子報》記者采訪時表示,RISC-V現在有三個關鍵問題待解決:

第一,缺乏軟件生態;第二,缺乏專利保護和RISC-V核認證中心;第三,需要加強RISC-V的基礎學術研究與人才培養。

RISC-V中國峰會2021澎峰科技展臺

至於RISC-V生態。

胡振波表示,在物聯網領域,RISC-V已不存在明顯的生態劣勢。很多公司需要基於自己的應用場景定制處理器產品來實現各種物聯網產品,RISC-V的可定制性要比Arm在此更具優勢。我們能看到,各種工具鏈、專用或通用的嵌入式操作系統,已經普遍支持RISC-V架構。從生態參與者來看,RISC-V國際基金會會員也已覆蓋到包括IP供應商、IC設計企業、開發工具和軟件平臺提供商、系統廠商、雲服務提供商、教育與研究機構,以及個人開發者在內的全產業鏈,形成瞭許多良性的互動。胡振波舉例稱,2021年12月,在芯原股份牽頭舉辦的滴水湖RISC-V產業論壇中,發佈瞭一批基於RISC-V架構的應用芯片,其應用覆蓋瞭物聯網、汽車、視頻監控、語音助手、智能傢居、通信、網絡等領域。而不同領域中也有自己的RISC-V產業生態建設者,包括中國移動在內,許多企業在打造完整的應用生態鏈。

而當前RISC-V軟件生態的缺乏,一方面體現在高性能計算,尤其是需要取得安卓、IOS、windows系統認證的手機和電腦芯片架構領域;一方面在於重要軟件和部分計算庫的缺失。

“有一個統計,知名的 Linux 發行版 Debian 的軟件倉庫中,現在超過 95% 的軟件都可以在 RISC-V 上編譯和運行。這個數字很好看,完成度也確實很高瞭,但是我們心裡很清楚,目前缺失的 5% 包含瞭軟件生態中非常重要的軟件,例如瀏覽器、高性能Java虛擬機、NodeJS生態、LibreOffice辦公套件等。”中國科學院軟件研究所PLCT實驗室項目總監吳偉在接受采訪時流露出對當前RISC-V軟件生態建設的無奈。但要問如何完善RISC-V的軟件生態,戴偉民表示,這便需要借助開放的RISC-V硬件平臺以促進和加快開源的RISC-V軟件平臺的建設:“我們可以在中國成立類似Linaro那樣的非盈利性組織或公司,不斷改進和優化RISC-V開源軟件產品及開發工具, 以幫助中國公司快速推出基於RISC-V架構的產品。”

RISC-V中國峰會2021芯來科技展臺

胡振波表示,CPU的計算庫還有缺失,不像Arm的計算庫這麼完備,需要開發芯片廠商自己移植或者自己做,這一工作對芯片廠商來說難度很大,因此需要CPU廠商、聯盟或者是一些科研院所做出一些通用的庫來支撐相關應用。

吳偉介紹稱,開源RISC-V工具鏈主要以LLVM和GCC兩大開源軟件為主。當前國內外都有一些廠商致力於工具鏈生態建設。例如歐洲Embecosm等老牌編譯器廠商,在積極參與 RISC-V 工具鏈開發維護;美國的SiFive 公司也組建瞭一個規模較大的編譯器團隊在做 RISC-V 工具鏈支持,既包含自傢產品的優化,也包含瞭RISC-V公共功能的實現。西部數據(WDC)公司在QEMU模擬器方面投入比較大。國內目前各個芯片公司內部都有自己的工具鏈團隊。在開源社區活躍的團隊目前除瞭PLCT實驗室外,還有阿裡巴巴平頭哥軟件團隊、晶心科技、芯來科技等。

至於建設專利保護和RISC-V核認證中心。

戴偉民將專利保護的問題進行瞭形象化比喻:“RISC-V指令集類似於字典,基於RISC-V的處理器架構類似於文章,字典裡的字沒有版權,但寫成文章後有版權問題。”

“迫在眉睫”。

這是胡振波和戴偉民在提及知識產權保護問題時共同提到的詞。

胡振波認為,RISC-V架構涉及的知識產權問題不容忽視,自主可控的研發是基礎,但要保障RISC-V賽道健康有序地發展,需要投入力量研究基於開源架構的知識產權保護和應用。“要讓一傢公司研究整個RISC-V領域知識產權情況,基本上是不可能的,需要國傢層面或者是聯盟層面形成合力來保證產業鏈企業的共同利益。”胡振波說。

戴偉民認為,國內產業聯盟可以通過收購部分CPU專利的形式,建立專利池,從而為中國RISC-V處理器搭建“保護傘”。此外,戴偉民還認為,由於RISC-V核多樣化發展,需要建立一個認證中心來驗證每一個RISC-V核,以確保產業生態環境的健康發展。

至於人才缺乏。

缺人!這是我國大力發展包括集成電路在內的等新興產業背景下,全行業面臨的問題。缺從業者,更缺專傢。這在我國起步時間不長的RISC-V產業鏈更是如此。

胡振波曾在去年中國RISC-V峰會上演講時講到,2018年,國內RISC-V產業發展幾乎為零。國內甚至找不到講解RISC-V的中文資料。對於RISC-V的理解隻能靠爬梳英文素材。

而RISC-V這種開放式的指令集架構,又要求著包括芯片設計企業、IP提供商企業在內的成員,都需要儲備自己的RISC-V編譯器、操作系統開發、模擬器開發等技術方向的人才。而這些領域的人才,也是英特爾、Arm、英偉達等芯片公司所需要的。

吳偉以工具鏈的人才缺口為例:“一傢芯片公司如果是自主設計指令集,從編譯器到模擬器至少需要10-15人的團隊,而且要求每一個人都是至少一個領域的專傢,非常昂貴。編譯技術門檻很高,沒有多年的經驗的話很難處理好軟硬件設計和協同中性能的各種權衡(trade-off),即使功能類的開發也需要兩三年的實戰經驗才有可能獨立完成。”他表示,粗略估計,大概需要新增一萬人左右從事工具鏈的開發才能滿足近幾年國內工具鏈的人才缺口。

人才缺乏也影響到RISC-V市場應用的拓展。胡振波表示,RISC-V的市場拓展與客戶的使用習慣有很大的關系。很多應用端客戶在找上遊IP公司時便會要求,最好完全不要修改原來的任何軟件。還有的工程師不願意修改自己的使用習慣,還是更適應Arm的操作習慣,這樣一來,對RISC-V拓寬市場也造成瞭阻礙。

在人才培養問題上,PLCT實驗室已經形成瞭一套解決方案。吳偉介紹稱,實驗室目前已經在實行課程教學和研究生小班培養、提供開源軟件實習崗、發佈公開視頻三種人才培養方案。

第一種比較傳統的課堂教學和研究生小班培養,主要是面向中國科學院大學的學生,規模較小。第二種方式為國內更多的高校本科生和研究生提供一個實訓的機會。實驗室通過提供開源軟件實習崗位的方式,使學生在PLCT實驗室技術專傢的指導下,直接向GCC、LLVM等知名開源項目提交代碼,成為貢獻者。2021年,PLCT實驗室累計培養瞭超過100名實習生,其中有超過三分之一的同學成為瞭開源社區的貢獻者。而第三種方式參與門檻更低,也更為大眾化。實驗室在bilibili網站上註冊瞭自己的賬號,持續更新實驗室內部的培訓課程和技術報告會的視頻。吳偉稱:“目前大約有超過80萬的觀看量,覆蓋人數相比於傳統教學方式已經有瞭幾十倍的擴大。”

PLCT實驗室的做法,也為培育包括RISC-V工具鏈方面的人才提供瞭產學研合作的范例。

遠望:何時擁有高性能處理器?

記者在采訪過程中,強烈感受到瞭產業鏈參與者對RISC-V架構生產出高性能處理器的期待。

如果從量產增長速度的角度來描述,RISC-V當前的產業成果可以稱之為“發展迅速”、“成果頗豐”瞭。中科藍訊是當前RISC-V芯片出貨量最大的公司,年出貨量約為10億片。2021年,僅北京君正集成電路股份有限公司一傢企業,就在一年內做瞭瞭將近50次基於RISC-V芯片的成果發佈,其芯片的應用領域實現瞭逐步拓展。車規級芯片,RISC-V也已開始涉足。

但在高性能處理器方面,RISC-V產品就表現出瞭明顯不足。MCU以32位居多,產品多對標ArmM3、M4水平。

在談及當前國內RISC-V產品性能時,王軍輝表現得有些失落:“每次我看新聞的時候,看到說有多少個RISC-V芯片流片,我一看是32位,再看一次又是個32位,其實我挺失望的。我特別希望有一天看到基於RISC-V架構的64位的高性能異構處理器出來,因為那才是更大的市場。”

而當前RISC-V處理器性能不夠高端,或許是權宜之計,也是無奈之舉。

對於RISC-V這一指令集架構的“新成員”來說,從X86、Arm手中搶奪市場是當務之急。而在電腦處理器、手機處理器中,這兩大架構佈局的市場已經相當成熟,且難度大、門檻高,RISC-V想在這些領域爭取市場,無異於“虎口拔牙”。相比較而言,物聯網、安全芯片、智能穿戴等領域,一來市場空間仍在擴大處於上升期,二來Arm市場基石不穩固,對於RISC-V來說更有機會。

戴偉民向《中國電子報》記者介紹,在2021年12月17日的首屆滴水湖中國RISC-V產業論壇圓桌討論環節,嘉賓們探討瞭“三年之內,RISC-V將在哪些應用領域優先起量”這個話題,並進行瞭現場投票,排名前三的分別為小傢電產品、可穿戴設備和智慧攝像頭/監控設備。

首屆滴水湖中國RISC-V產業論壇

而對於大多數RISC-V產業鏈企業而言,要將RISC-V應用於高性能計算可能是更為遙遠的目標。前幾日,王軍輝在RVBoards微信公眾號上發起瞭一個簡單的投票,題為:RISC-V什麼時候將闖入高性能計算。該投票設置瞭五個選項:2022年;2023年;2024年;終將遇見,不見不散;不可能實現的目標。截至投票時間,此次投票的79名參與者有超過半數選擇瞭“2024年”和“終將遇見,不見不散”兩個選項。23%的參與者選擇瞭“2022年”。僅有6%的投票者選擇瞭“不可能實現的目標”。

可以看出,產業鏈企業對於RISC-V的美好未來還是抱有美好的期待。

雖然從當前的形勢來看,RISC-V是否能實現“三分天下有其一”的願望仍不明瞭。或者說,RISC-V是否隻能實現全球指令集架構市場中對計算性能較低的市場仍是未知數。

作為一種無國界制約、無特別公司歸屬、國際公約性質的指令集架構,胡振波認為,RISC-V極有可能形成CPU領域的國際標準。屆時,標準不屬於任何一傢公司,作為開放的標準,它不會被某傢公司限制,每傢投入的企業都將成為合作夥伴,以此帶來RISC-V的生態繁榮。

到時候,可能不需要“三分天下”,Arm和英特爾加入RISC-V建立的CPU標準後,天下就變成一傢瞭。

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作者丨姬曉婷編輯丨連曉東美編丨馬利亞