技经观察 | RISC-V,芯片架构的破局者

现阶段CPU市场已被两类架构占据。一是X86,由英特尔和AMD两家公司掌握,在服务器等领域占有垄断地位,该类CPU擅长处理大数据;二是ARM,由英国ARM公司掌握,在移动设备领域有垄断的地位,此类CPU擅长处理快数据。近年来,精简、可扩展的RISC-V架构兴起,或将成为CPU行业的“破局者”。

“未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一,从而在CPU领域形成X86、ARM、RISC-V三分天下的格局。”2019年12月18日,在北京举行的2019国际芯片大会上,中国工程院院士倪光南如此展望开源芯片的前景。

 

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倪光南院士

 

中美经贸摩擦中,我国ICT行业成为美国实施制裁的“头部阵地”。美国企图通过禁止企业向中国出口芯片和操作系统,打压我国ICT行业创新发展势头。从中暴露出的关键自主技术短板问题已广泛得到重视,中国芯片和操作系统自主生态建设亟不可待。时下,完全开源的RISC-V架构有望为中国ICT自主可控生态建设创造具体方案和可行道路。

一、RISC-V架构的缘起

RISC是精简指令集计算的缩写(Reduced instruction set computing),是计算机中央处理器(CPU)的一种设计架构,得名于20世纪80年代起美国加州大学伯克利分校计算机科学家大卫·帕特森教授主持的“Berkeley RISC”计划。因主流的X86、ARM处理器架构授权要求较高,授权费也非常高昂,不利于研究工作的展开,帕特森教授决定零开始设计一套全新的处理器架构,并在设计成功之后将其免费开源。2011年,帕特森教授团队推出第五代精简指令集——RISC-V。

 

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大卫·帕特森教授

 

传统的ARM指令集不允许扩展开发,但RISC-V允许。且RISC-V由于是后发的架构,在技术上非常精简且容易实现。更为关键的是,RISC-V是免费开源的。这些特点很快吸引了很多大公司参与其中。因此,基于RISC-V的CPU内核实现,既可以自己研发设计,也可也采用开源代码进行设计,还可以直接购买第三方基于RISC-V设计好的成品配套。

 

RISC-V最大的好处即是向所有人开放,没有任何个人或国家能控制RISC-V。一方面,RISC-V没有X86和ARM架构高昂的授权费用;另一方面,基于RISC-V的自主研发工作不会受到商业纠纷和国家制裁的影响。RISC-V基金会董事会成员、英伟达工程副总裁弗兰斯曾公开表示:“我们之所以喜欢RISC-V,并不是因为我们不想付ARM的许可费,而是你可以自己控制你的命运。有人提到了地缘政治问题,RISC-V就没有地缘政治问题。”因而,历来依赖ARM的华为、高通、谷歌等公司纷纷加入了RISC-V阵营,以分散风险、提升产业话语权。

 

2005年,RISC-V基金会成立。RISC-V基金会是一家非盈利中立机构和开放社区,主要负责日常维护RISC-V指令集标准手册与架构文档,参与RISC-V相关规范制定和软硬件生态系统的发展,其开放式管理模式能够有效促进RISC-V社区的交流和创新,形成生态系统,从而降低研发成本,打破芯片市场的垄断。目前,全球已有200余家知名科技公司加入RISC-V基金会。

 

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RISC-V基金会创始会员

 

RISC-V基金会虽然倡导打破对ARM的依存,但日美欧采用迟缓,因此基金会对世界最大半导体市场——中国充满期待。David Patterson 教授曾经说过:“RISC-V 的未来在中国,而中国的半导体芯片技术和市场发展也离不开 RISC-V。”日本SH咨询(RISC-V基金会会员之一)CEO河崎俊平也表示:“RISC-V在中国的普及有可能成为在全世界普及的突破口”。

 

二、为什么选RISC-V?

1.从技术角度出发

 

①结构精简

 

相对其对手——移动端霸主ARM,精简和灵活是RISC-V的两大优势。RISC-V指令集在最初设计时,研发团队就明确表示要追求简约,丢弃历史包袱。RISC-V的基本指令仅40余条,并且采用了模块化的指令集,能满足从微控制器到超级计算机等各种复杂程度的处理器需求,支持从FPGA、ASIC乃至未来器件等多种实现方式。RISV-V架构开发文档篇幅少于300页,而ARM架构的开发文档篇幅高达数千页。与之相比,RISC-V没有历史包袱,从诞生起就具备一定的后发优势。

 

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RISC-V与X86、ARM对比

 

②硬件设计难度降低

 

RISC-V的开源化使得开发人员能够轻易从互联网上得到大量的、有参考借鉴意义的代码和项目,从而极大降低开发的难度、缩短周期。这使得一些新兴研究在高校等研究机构里的开展具备更多可行性。同时, RISC-V还具有模块化的特点,非常适合物联网等新领域应用。目前许多基于RISC-V架构的创新都是通过在现有指令架构上增加子集的方式实现。

 

③系统验证兼顾客观公正与成本

 

在系统结构方向上的研究,最困难或者最具争议的问题之一,就是对所设计的系统的验证。一般来说,在计算机系统结构领域,为了对所提出的系统的性能进行验证,研究人员有三种选择:采用离散事件仿真;采用基于FPGA(现场可编程逻辑门阵列)的原型验证;流片并形成完整的系统进行验证。其中最后一种验证方式最为严格,但其需要大量的资金投入,且具有极高的复杂度和漫长的周期。离散事件仿真法因为只涉及软件,具有“短平快”的特点,被广泛采纳。然而,离散事件仿真法却又具有主观性强、结果争议大等缺点。RISC-V以及其大量开源实现,适用FPGA原型验证方法,系统验证结果可以一定程度上兼顾客观公正与成本。

 

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④催生新型体系结构

 

在摩尔定律走向极限这一背景下,采用定制加速器几乎成为从系统结构角度提升计算性能的唯一手段。“采用自顶而下的设计范式、从应用的角度去设计并开发软硬协同的完整系统”,将会成为计算机系统结构“黄金十年”的主基调,并带来大量新型计算机体系结构的诞生。RISC-V从指令集的设计上来看,适应以上基调,并为加速器预留了几条指令。结合硬件设计难度较低、系统验证兼顾客观公正与成本的特点,RISC-V将极大辅助和“催生”新型体系结构。

 

2.从市场角度出发

 

随着信息技术的发展,各类软、硬件产品快速爆发,ICT设备有着在硬件产品上形成统一软件抽象的发展趋势。这种软件抽象过去主要是操作系统,随着工控系统、物联网设备的进一步发展,未来该种软件抽象的形式可能发生巨大变化。归根到底,该变化的实质是为了转移硬件的控制权,通过软件的大量出售获取高额利润。尽管此时主导者仍然是硬件厂商,硬件厂商仍难以一己之力打造一套完整软件生态。若投入巨大研发成本后无法产出优质产品,则会进一步导致厂家无法盈利,从而无法维持新产品的开发,甚至影响企业生存发展。

 

在上述规律的支配下,硬件产品变得高度货品化,竞争激烈,利润逐步降低。硬件厂商丧失利润空间。硬件自身丧失定价权,而软件企业则逐渐构建起用户别无选择的平台,因而更容易产生垄断。

 

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计算机和手机市场已经按此规律发展,长期以往将形成不均衡的市场,陷入发展困局。开源架构的创新可一定程度上缓解此类困局。目前,软件开源化的趋势已势不可挡,时下最火热的5G和人工智能领域也对开源有着极高需求,RISC-V为应用的开发提供了极佳的平台。

 

3.从产业安全角度出发

 

众所周知,即使华为等公司已获得ARM长期授权,,但同样存在变数。根据中美贸易摩擦中美国商务部施行的出口管制有关规定,只要产品和技术中的美国技术成分超过25%,就有可能受到美国出口管制的限制。从这个角度来看,ARM架构中美国技术成分超过25%,可能会受到影响。

 

软件是一种商品,可能会受到美国出口管制禁令的影响。但是,开放的源代码属于言论自由的范畴,受美国宪法第一修正案保护。RISC-V既不是开源代码,也不是单纯的软件产品,其本质是一套开放的、免费的指令集,是一套定义处理器软硬件之间接口规范的开放标准。因此,只要不是从美国厂商处购买的软、硬件,自主设计的软、硬件均不会受到美国的出口管制禁令的影响。

 

为进一步削弱地缘政治的影响,2019年11月,RISC-V基金会宣布,计划将总部从美国特拉华州迁往瑞士,以削弱地缘政治影响。RISC-V基金会首席执行官(CEO)卡利丝塔·雷蒙德表示,这项决定的初衷是确保美国以外的大学、政府和公司能够继续开发RISC-V开源芯片架构技术。

 

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RISC-V基金会CEO卡利丝塔·雷蒙德

 

4.从自主可控芯片角度出发

 

2018年12月,欧盟推出“欧洲处理器计划”(European Processor Initiative,简称EPI),以减轻在芯片领域对美国的依赖;2019年1月,欧盟宣布拟将RISC-V架构用于超级计算机构建,以打破美国在超算领域的垄断。此“换道超车”的思路未尝不可在各国范围内取得广泛胜利。

 

5.从透明、可核查的安全角度出发

 

业界认为,硬件设计错误会带来很多漏洞,而从软件层面设计补丁也并非万无一失的做法。RISC-V架构即是为透明、可核查的系统安全建设需求而开发。2017年4月,美国国防部高级研究计划局(DARPA)启动SSITH(通过硬件和固件进行系统安全集成)计划,寻求在硬件中建立黑客防御框架。在此计划中,DARPA希望供应商提供基于RISC-V处理器在内的开源硬件开发的原型设计,以保证软件和硬件的透明度,使所有人都能进行安全审查。DARPA此举无疑是对RISC-V架构的一大正面宣传。

 

三、RISC-V的现阶段布局

(一)外国对RISC-V的布局

 

从国家层面看,2017年,印度将RISC-V作为国家指令集;以色列国家创新局也选择基于RISC-V研制为全国企业服务的处理平台。

 

从企业层面看,英伟达公司将使用RISC-V指令集制作下一代GPU中的周边微控制器,西部数据公司计划在下一代存储计算芯片中使用RISC-V核,并宣布预计每年将出货超过10亿片RISC-V芯片。此外,西门子、三星、谷歌、IBM、特斯拉、高通、恩智浦、日立等大型公司都在RISC-V指令集芯片上有所布局。

 

(二)中国对RISC-V的布局

 

在中国,使用RISC-V指令集制作的芯片也开始初露头角。2019年7月18日,中科物栖展示了基于RISC-V的AIoT芯片和整机方案;7月25日,阿里巴巴旗下半导体公司平头哥推出基于RISC-V打造的玄铁910芯片,并表示未来将向全球开发者开放其内核代码,以开展芯片原型设计架构创新。玄铁910内核代码将可用于设计制造高性能端上芯片,应用于5G、人工智能以及自动驾驶等领域。

 

2018年7月,上海市经济信息委发布《上海市经济信息化委关于开展2018年度第二批上海市软件和集成电路产业发展专项资金(集成电路和电子信息制造领域)项目申报工作的通知》,将从事RISC-V相关设计和开发的公司作为扶持对象。

 

现阶段,我国已成立中国开放指令生态(RISC-V)联盟(CRVA)和中国RISC-V产业联盟(CRVIC)两大联盟,以促进国内各界对RISC-V的关注和支持,提升中国在RISC-V标准和技术开发中的参与度,加快完善国内RISC-V“IP核—芯片—软件—整机—系统”产业生态体系。

 

四、RISC-V能给中国带来什么?

(一)存在的机遇

 

2018年中国集成电路市场规模1550亿美元,国产集成电路规模仅238亿美元,集成电路自足率仅有 15%。根据《中国制造2025》规划,到2020年中国半导体的自足比例要达到40%,2025年要达到70%。RISC-V架构下各类设备应用将为实现这一目标助力。

 

我们已迈入5G时代,物联网和AI芯片将迎来井喷式爆发。物联网碎片化挑战和异构计算趋势是RISC-V的发展机遇。物联网的碎片化导致各种场景下对CPU的需求不一而同,且市场体量很大、每一个细分市场各具规模,大数据、边缘计算、区块链等细分领域都在蓬勃发展,对于开源芯片来说均是非常好的应用场景。因此,嵌入式应用前景广阔,低功耗、低成本和定制化需求越来越大。RISC-V具有模块化、可扩展的特点,可为物联网应用的不同需求“量体裁衣”。虽然目前RISC-V在物联网中的应用没有消费类火爆,但英伟达、谷歌、西部数据等领先企业的积极布局将会带动RISC-V产业生态的发展。此外,人工智能应用也推动了异构计算的发展,RISC-V的特性也非常切合异构计算的设计需求。

 

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得益于RISC-V的可扩展性及精简特性,大至超级计算机芯片,小至手机充电器芯片都可以基于RISC-V架构进行开发。开源指令集能够降低设计成本、敏捷开发能够缩短开发周期,从而可加速硬件开发,加快产品迭代,进而能够降低整体设计门槛,缩短从应用创意到成品芯片推出的时间。紫光展锐已成功开发出RISC-V架构无线耳机芯片“春藤5882”;威海优微科技基于RISC-V推出的UPD350 PD快速充电芯片已通过USB-IF协会USB PD3.0 DRP双向认证……从垂直行业应用出发,在低成本、开发周期短的产品基础上不断迭代升级,企业有望通过技术积累不断上探市场空间。如此,技术应用型企业有望实现对发达国家的“弯道超车”。

 

另一方面,中国要掌握IT生态话语权,也可以从RISC-V出发,建立自主硬件体系,随后通过软件开辟大规模的新市场,凭借世界规模最大的市场和性价比优良的产品主导市场话语权,建立强健、抵抗力强大的生态体系。

新时代、新需求创造了很多新的机遇,持续在正确的道路上砥砺前行,中国芯片终有一天会实现高质量发展。

 

(二)面临的挑战

 

1.芯片研发本身存在技术壁垒

 

我国集成电路产业发展较晚,虽然在部分领域已经形成一定规模,但在高端芯片领域仍几乎被国外企业控制。从进口结构来看,绝大多数计算机和服务器通用处理器中95%的高端专用芯片,70%以上智能终端处理器以及绝大多数存储芯片依赖进口。

 

尽管RISC-V架构为敏捷创造了可能性,但归根到底,芯片开发仍旧是一项复杂工程,具备较高技术壁垒。

 

从设备和材料方面看,中国国产半导体制造设备自给率不足10%,硅片、光刻胶等材料严重依赖进口;从设计软件看,半导体设计所需要的自动化(EDA)软件也处于由新思科技等美国企业垄断的状态,找不到类似RISC-V这样的替代工具。对于海思半导体等中国半导体设计企业而言,EDA软件的采购是业务存续方面的一大风险。目前开源EDA工具中尚缺少IR drop分析、动态功耗评估、电子迁移分析等功能,并且适应开源软件体系中GCC编译器(一款开放编译器)水平的EDA工具尚未出现。

 

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通用CPU被称作是集成电路中的“珠穆朗玛峰”,对集成电路和软件产业具有基础性和带动性作用。芯片微架构需要长期积累,设计架构应用、操作系统、编译、逻辑和电路等具体工作需要做到融会贯通,这不是短期内能取得快速突破的,我国由于缺少自主高端CPU技术和完整产业生态,在信息产业严重受制于人。在自主CPU的研发道路上,国内以龙芯为代表的企业手握自主创新的“枪杆子”走过了坎坷的历程,尽管海思、龙芯等品牌已初露锋芒,但应当认清仍需长期追赶的现实。

 

2.依赖进口的风险已充分暴露

 

中美贸易战和特朗普政府对我国高科技企业实施的出口限制政策都促使中国主要科技公司寻找可靠的供应链替代,从中暴露出的风险已得到重视。现阶段,X86和ARM两大架构在计算机和移动设备领域具有绝对垄断优势,ARM架构未来还将扩大到物联网设备。现行的制裁措施对企业的影响较为有限,尚不至于危及生存。但是,以最坏的情况假设,如果美国持续扩大贸易制裁的范围、采取更恶劣的制裁措施,将对我国ICT行业造成毁灭性打击。从产业和供应链安全角度出发,自主可控生态仍是需要持续关注和建设的重要议题。

 

3.警惕“伪自研”浑水摸鱼

 

国内不止一次存在过“换壳上市”甚至造假的事件,企业和个人将舶来的技术包装成“新技术”“新产品”,这不仅是对“创新”二字的亵渎,更会对我国科技安全埋下重大隐患。

 

2006年,“汉芯事件”被揭露,上海某高校教授发布的“汉芯”系列芯片被调查出造假事实。该团队以虚假科研成果呈现给有关部委、学者和公众,夸大其性能和功能,骗取大量资金和荣誉,极大伤害我国各界人士对自主创新的热忱期盼。

 

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汉芯一号芯片与项目主持者陈进

 

2018年,一家名为澜起科技的公司推出名为“津逮”的服务器CPU,仅将英特尔至强CPU与自研ASIC(专用集成电路)封装,就标榜安全可控。事实上,津逮CPU仅是在英特尔CPU上加装了一个安全模块,用于检查计算指令是否符合预期,而运算功能仍依赖英特尔CPU。此前,英特尔CPU已被曝出存在诸如“骑士”“熔断”“幽灵”“PortSmash”“Spoiler”等漏洞,并得到了英特尔公司的确认。尚无法保证英特尔芯片中是否不存在别的漏洞,以及利益冲突者不会寻找并利用新的漏洞。一旦黑客利用漏洞渗透入我国关键基础设施,政府工作、工业生产和人民日常生活,都将受到严重威胁。不过,有迹象表明,我国敏感设备的自主化替换已得到重视。

 

之所以会有以次充好、虚假宣传的现象,是因为部分企业和个人被利益冲昏了头脑。任何技术在没有得到充分验证前,都无法被称为自主可控的。特别是本土技术团队技术储备不足、未能经历磨练、消化吸收能力严重不足的情况下,更不应急于宣传安全可控,顾了效率低了质量。

 

一方面,要加强监管,通过严格的审查制度和监管手段将不利于自主创新的虚假成果扼杀在摇篮;另一方面,要摒弃急功近利的观念,避免过度技术炒作刺激下催生的野蛮生长。

 

4.坚守和谐发展、重视产权保护

 

帕特森教授弟子谭章熹博士曾表示:“现在RISC-V生态的最大竞争者其实是像ARM这样的对手,而不是RISC-V本身这个行业里面的公司。”RISC-V架构在编译器、操作系统等等层面还不尽完善,因而需要RISC-V基金会等联盟中的企业共同合作开发、共同分享。在一种商业模式的初期,需要有大量公司达成共识、共同维护与完善,共同推动技术和模式走向成熟。长远来讲,这对生态、对企业的商业利益都将大有裨益。

 

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而根据ICT行业此前的发展经验,行业生态还需进一步建设完善。一方面,某些研发实力很强、在产品端和市场端具有强大推动力的企业掌握大量资源,不利于资源分配,甚至滋生给同行断供的不公平竞争行为。另一方面,对于知识产权的保护仍应是持续建设的重点。若企业的产权能够得到有力保障、盗版行为得到有效打击,将有利于企业的生存和市场的发展,这也是市场建设的根本之一。

 

除政策支持、法律保障,国内RISC-V两大产业联盟也将起到重大推进作用,促进企业间的合作共赢,为RISC-V架构生态的健康、蓬勃发展作出充分调和作用。

 

五、总结

从PC互联网时代,到移动互联网时代,再到现在的物联网时代,每一次技术浪潮,都伴随着处理器芯片平台和操作系统的巨大变革。在PC时代,英特尔的X86架构芯片与微软Windows操作系统独霸天下;在移动互联网时代,得益于ARM所采取的IP授权的形式以及安卓系统的开放,ARM架构的处理器成为以智能手机为代表的移动互联网设备的标配。而随着物联网时代的到来,很多物联网设备中 “操作系统”与“应用”已密不可分,这也直接导致了物联网处理器芯片的架构出现了百花齐放的局面。而RISC-V是否能够达到全球的广泛期盼,仍需拭目以待。

 

 

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从实践上看,技术都是迭代演进的,产品的横空出世是无稽之谈,芯片的开发需要长期迭代演进。RISC-V架构发展至今也是一步一个脚印,不存在一步登天。RISC-V是否能将帮助自主可控芯片与操作系统生态走向春天,需要多方共同关注与付出。

作者丨唐乾琛

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研究所简介

国际技术经济研究所(IITE)成立于1985年11月,是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构,主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题,跟踪和分析世界科技、经济发展态势,为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号,致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

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原文始发于微信公众号(全球技术地图):技经观察 | RISC-V,芯片架构的破局者

 

 

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