• RISC-V生態系統即將爆發

  2021-12-10 18:30:16
  近一年來，開源指令集架構RISC-V，備受矚目。不少公司以RISC-V架構開發產品，英特爾將RISC-V IP納入了該公司的晶圓代工服務中，甚至傳出連蘋果公司也有意利用RISC-V架構開發產品。

   

  RISC-V是一種基于精簡指令集計算 (RISC) 原理的 ISA。與大多數其它ISA設計不同，它是在開源許可下提供的，無需付費即可使用。

   

  RISC-V項目于2010年在加州大學伯克利分校與非該大學附屬的志愿者貢獻者一起啟動。它與主要用于教育目的的原始 ISA 不同，RISC-V 適用于商業和學術部署。正式的 RISC-V 基金會（更名為 RISC-V International）擁有、維護和發布 RISC-V 定義。

   

  在技術層面，RISC-V遵循既定的 RISC 原則并使用加載存儲架構。這樣做的一個優點是不會侵犯任何已知的專利。與許多其它ISA一樣，RISC-V定義了不同級別的指令集。這包括 32 位和 64 位變體，以及支持浮點指令的擴展。這允許開發適合各種應用的版本，從小型嵌入式微控制器到臺式個人計算機和帶有矢量處理器的超級計算機。

   

  許多語言編譯器都支持 RISC-V，包括 GNU Compiler Collection (GCC)，以及 Linux 操作系統（32 位和 64 位）。許多公司正在提供或已經推出 RISC-V 硬件，從微控制器到可以運行 Linux 的 SOM 和 SoC，以及可以包含 RISC-V 內核的 FPGA。

   

  RISC-V將撼動86億美元的IP市場

   

  據Counterpoint Research統計，全球半導體 IP 市場正接近拐點，因為解決方案中半導體含量的比例正在加快，計算、內存、安全和其他架構需要多樣化和開放的方法。這種需求主要受到高級應用程序增長的推動，例如支持 AI 的智能設備、5G 通信、高性能計算 (HPC) 和自動駕駛汽車。半導體含量的增長將推動 IC 設計和 IP 許可行業的產品價值增長。”

   

  根據 Counterpoint Research 的報告“ RISC-V采用加快步伐”，到2025年，全球半導體 IP 市場規模將以 11% 的復合年增長率增長至86億美元。該市場的主導者包括Arm、Synopsys、Cadence 和 CEVA等。后起之秀RISC-V憑借其先天優勢，具有非常大的發展和突破空間。

   

  生態系統建設最新進展

   

  最為新生的處理器架構，最重要的就是生態系統建設。近一年來，特別是最近兩三個月內，RISC-V處理器、開發工具、開源計劃等不斷發出，為其生態系統建設增加了非常有分量的砝碼。

   

  首先看中國的，近兩三個月內，關于RISC-V的重磅消息不斷。

   

  • 華為海思自研RISC-V架構CPU

   

  本周，華為海思公開公布了一款全自研高清電視芯片Hi373V110。這是一款支持全球各種制式的模擬電視（ATV）主處理芯片，內置海思自研32位RISC-V CPU，采用Lite OS操作系統，啟動速度快。

   

  該芯片支持NTSC/PAL/SECAM制式解調，USB播放，支持主流的視頻格式包括MPGE2、H.264、H.265、RMVB等，主流音頻解碼及音效處理以及海思自研的SWS音效處理，支持CVBS/YPbPr/VGA/HDMI 1.4輸入，合封DDR內存，LVDS和miniLVDS接口，支持主流Tconless屏。

   

  為了幫助推廣鴻蒙，華為此前推出了Hi3861 RISC-V開發板。

   

  • 中科院RISC-V“香山”處理器已流片

   

  12月6日，中科院計算所研究員包云崗攜高性能RISC-V開源處理器“香山”亮相舊金山RISC-V峰會，包云崗表示，“雖然有些晚，但這是香山第一次在國際RISC-V社區正式亮相，再晚也值得。”

   

  他還透露，“香山”有了新的歸屬，“香山”出嫁了，至于嫁到哪里，暫時保密，適時會公開，不知道這是否暗示“香山”的商用化已有了方向。

   

  據悉，“香山”第一代內核“雁棲湖”已經在7月15日流片，基于28nm工藝，裸片面積6.6平方毫米，單核二級緩存1MB，預計功耗5W。第二代核心“Nanhu”目標是14nm 2GHz。

   

  性能方面，“雁棲湖”的SPEC CPU2006成績預計在9@1.3GHz，也就是7/GHz左右，大約相當于ARM A72/A73的水平，后者商用化的杰出代表包括驍龍835、麒麟960/970等，“Nanhu”工藝和頻率升級后，預計SPEC 2006得分能到20左右。包云崗稱，這套RISC-V架構處理器預計每隔6個月就會迭代一次。

   

  • 平頭哥全棧開源RISC-V處理器

   

  在2021云棲大會期間，阿里平頭哥宣布全棧開源平頭哥玄鐵RISC-V系列處理器。這是系列處理器與基礎軟件的全球首次全棧開源。

   

  據悉，玄鐵RISC-V系列是已經擁有150多家客戶、超500個授權數，出貨超25億顆的國內應用規模最大的國產CPU IP。

   

  平頭哥此次開源的玄鐵系列RISC-V IP，都是經過量產驗證的IP，包括玄鐵E902、E906、C906、C910，以及基于玄鐵的多操作系統的全棧軟件及工具。

   

  下面看一下近兩三個月國際廠商在RISC-V生態建設方面的表現。

   

  • SiFive推RISC-V處理器內核P650

   

  SiFive使用開源RISC-V指令集推出了其最高性能的處理器P650，聲稱是市場上同類架構中最快的內核。

   

  SiFive還聘請了Trefor Southwell擔任英國硬件工程高級總監，總部位于布里斯托爾。Southwell之前是Imagination Technologies的硬件工程高級總監，負責RISC-V。

   

  P650處理器面向RISC-V的新市場，如數據中心，因為它可以擴展到每個芯片16個內核和跨多個128個內核，并支持新的RISC-V虛擬機管理程序虛擬化擴展。該內核還針對邊緣計算、汽車和移動領域的主流芯片設計。

   

  P650 通過在每個周期發出 40% 的指令（即 4 條指令）來提升性能，而之前的 P550 內核則在相同的 13 級無序管道中發出指令。額外的架構增強功能將最大時鐘頻率提高到3.5GHz，與SiFive之前最快的處理器相比，總體性能提升超過11+ SPECInt2006/GHz，達到50%。

   

  • Imagination拓展RISC-V疆域

   

  最近，Imagination推出了全新的RISC-V 架構處理器Catapult系列。

   

  Imagination稱將為迅速擴大的RISC-V生態系統帶來更豐富的的產品和解決方案，并特別針對異構計算系統進行了優化，Catapult CPU可根據性能、效率或兩者間平衡等各種應用場景進行配置，使其適用于更廣泛的市場。

   

  Catapult系列首發就有四款不同的產品，分別是：動態微控制器、實時嵌入式CPU、高性能應用處理器CPU、支持汽車功能安全的CPU。

   

  其中，微控制器已被客戶用于SoC芯片中的GPU模塊，開始出貨；實時嵌入式CPU現已上市；高性能應用處理器CPU、汽車CPU將于2022年開始陸續上市。

   

  Catapult CPU專為5G基帶、存儲、輔助駕駛和自動駕駛、數據中心、高性能計算等市場打造，均采用多線程架構，有32位、64位兩種版本，并提供大量的可選項，客戶可根據每種應用的需求進行配置，比如擴展到每個集群8個非對稱相干內核，還可選擇添加自定義加速器。

   

  • Fraunhofer將RISC-V拓展至邊緣AI

   

  德國的Fraunhofer IPMS為其EMSA5-FS RISC-V處理器開發了一種新選項，以支持邊緣的人工智能（AI）和機器學習（ML）功能。

   

  邊緣 AI 需要功能強大但功耗超低且相對便宜的片上系統 （SoC）。EMSA5-FS是一款32位、五級流水線處理器，支持RISC-V架構。它可以包括糾錯和容錯功能。

   

  為了提供高效的AI功能，Fraunhofer IPMS已將TensorFlow Lite移植到核心，并添加了對Zve向量數學擴展的支持。

   

  RISC-V的Zve擴展為微控制器和嵌入式設備提供矢量數學處理。它們能夠在小型、低功耗的邊緣設備中快速執行要求苛刻的功能，如 AI 和 ML。Fraunhofer IPMS正在使用Zve指令擴展EMSA5-FS內核。

   

  • IAR的RISC-V嵌入式應用工具支持Codasip的處理器內核

   

  IAR Systems正在與處理器內核和工具開發商Codasip合作開發基于RISC-V的低功耗嵌入式應用工具。

   

  用于RISC-V的IAR嵌入式工作臺的2.11版本現在支持Codasip的L30和L50節能低功耗嵌入式處理器內核。這些內核是完全可定制的，可以適應項目的獨特需求，這需要與開發工具進行更詳細的集成。

   

  用于RISC-V的IAR嵌入式工作臺是一個完整的C / C++編譯器和調試器工具鏈，集成在一個IDE中。

   

  • 用于RISC-V FPGA的嵌入式邊緣視覺開發套件

   

  最近，Microchip Technology推出了第二個開發套件，以簡化其PolarFire RISC-V FPGA上AI嵌入式視覺應用的開發。

   

  PolarFire 中端 FPGA 支持雙 4K 視頻處理，并具有運行實時操作系統 （RTOS） 和 Linux 等豐富操作系統的四核 RISC-V 應用級處理器。

   

  智能嵌入式視覺開發平臺加入了VectorBlox軟件開發套件（SDK）和IP，用于使用PolarFire器件對經過訓練的神經網絡進行編程，而無需事先獲得FPGA專業知識。

   

  該平臺包括對Microchip的Mi-V RISC-V生態系統的支持，包括AdaCore，Green Hills Software，Mentor Graphics和Wind River的開發工具。商用RTOS解決方案包括VxWorks和Nucleus，以及Zephyr和FreeRTOS。中間件解決方案可從DornerWorks，Hex Five和Veridify Security獲得。

   

  英特爾內部正在開發RISC-V處理器

   

  除了以上提到的已經正式發布的芯片、工具和開源項目之外，還有一些國際龍頭企業在秘密進行著RISC-V相關研發工作，英特爾和蘋果就是典型代表。

   

  據悉，英特爾內部正在開發首款RISC-V架構處理器，將使用RISC-V廠商SiFive提供的一款RISC-V高效能核心來實作CPU，英特爾更會將它整合到自己最新款的7納米Horse Creek處理器平臺。這項消息是在SiFive最新RISC-V產品發布新聞稿中，首度對外透露的。

   

  英特爾院士暨IP工程事業群技術長Amber Huffman指出，他們將會把SiFive的RISC-V高效能核心整合到代號為Horse Creek的英特爾7納米處理器平臺上，并向開發人員和制造商客戶展示其性能，英特爾這款7納米處理器也是首度曝光，有別之前Meteor Lake處理器。透過將英特爾DDR、PCIe界面與SiFive的RISC-V處理器相結合，Horse Creek平臺未來能夠提供有價值且可擴展的開發工具，用于先進RISC-V應用的發展。

   

  英特爾這次使用的SiFive Performance P550系列，是從之前SiFive U84微架構發展而來，可擴展到4核complex配置，面積大小對應到單個Arm Cortex-A75大小，并可兼容64位RISC-V開源指令集架構。

   

  英特爾采用RISC-V核心，估計是作為輔助使用，而非主要CPU，但由于英特爾過去CPU設計采用較為封閉的x86架構，和以開源為主的RISC-V架構有很大差別，所以這次英特爾決定要用SiFive的RISC-V核心開發自己的CPU，也格外引人囑目。甚至在早之前曾傳出，英特爾正在考慮收購SiFive。

   

  不過，傳出英特爾收購SiFive的消息，也不讓人意外。早在SiFive于2015年成立時，英特爾當時就有在背后大力投資，加上近幾年，各種新興應用出現，對于處理器的使用差異很大，因此強調設計彈性的RISC-V發展也備受重視，當中又以提供商用RISC-V芯片設計服務的SiFive表現最亮眼。而且SiFive公司創辦人正是RISC-V專案發起人。該公司商業模式，也跟Arm類似，以提供處理器核心IP產品設計為主，但不同的是，它采用了開源RISC-V指令集架構。

   

  英特爾一直認定自己是從嵌入式產品起家的公司，RISC-V被公認最適合這方面的應用，英特爾自然不會放過。另外，通過建設RISC-V生態系統，還可以牽制Arm，甚至NVIDIA。

   

  蘋果對 RISC-V 也感興趣

   

  今年夏天，蘋果公司發布招聘信息，要求有RISC-V經驗的工程師。這意味著蘋果正在研究 RISC-V。

   

  這項工作在蘋果的 Vector and Numerics Group 內，該集團在 Mac、iPhone、Apple Watch 和 Apple TV 等產品中設計嵌入式子系統。這可能表明 RISC-V 將用于支持硬件，而不是為計算設備提供動力的主處理器。

   

  蘋果已經為這些類型的 AI 任務制作了一個特定的神經引擎，因此這項工作可能與此的未來版本有關。

   

  展望

   

  英國嵌入式設計咨詢公司ByteSnap Design認為，RISC-V將在2022年起飛。市場將從英特爾架構CPU進一步轉向所有主要平臺，如Arm-64：蘋果，Windows，Chromebook，Linux。最為重要的是，RISC-V筆記本電腦將開始出現。

   

  Nvidia收購Arm之路很難走，如果收購成功的話，預計RISC-V架構將真正開始起飛。

   

  RISC-V最大的應用為物聯網，預估到2025年滲透率可達約30%左右，其次為工業用途，預估2025年滲透率可達12%左右。車用IC也是RISC-V的重要應用，2025年滲透率可超過10%。

   

  預估到2025年，基于RISC-V架構的IC數量高達624億顆，前景一片光明。

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