EN CN
注册

【IC设计】RISC-V与Arm之争:开发中国自己的开源架构才是王道

来源:全球半导体观察    原作者:张明花    

10月21日,在第六届乌镇互联网大会上,阿里巴巴旗下平头哥半导体宣布,开源基于RISC-V指令集的低功耗微控制芯片(MCU)设计平台,将业界对近期本已非常火热的RISC-V指令集的关注推向新高度。

而就在数天前,Arm在Arm TechCon 2019大会中宣布,推出针对Armv8-M架构新增的功能Arm Custom Instructions(客制化指令)。Arm长久以来只开放IP授权,业界将Arm Custom Instructions的推出解读为Arm应对开源指令集架构RISC-V的竞争压力所作出的措施。

关于RISC-V与Arm之争以及中国指令集市场发展再次成为业界话题焦点。

开源指令集架构RISC-V强势崛起

指令集可分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC),此前全球几大指令集架构有X86、Arm、MIPS、POWER、SPARC等,其中X86属复杂指令集,Arm、MIPS等属精简指令集。

在产业发展过程中,随着MIPS、SPARC的日渐式微,指令集架构已形成较为稳定的市场格局:由X86和Arm两大指令集占据大部分市场份额,其中在服务器、PC领域,X86指令集占据主要市场地位;在移动通讯领域,Arm指令集被广泛使用,具有垄断地位。

不过,这一格局正在受到一个发布不到10年的指令集——RISC-V的冲击。

2010年,加州大学伯克利校一个研究团队在为新项目选择处理器指令集时分析了Arm、MIPS、SPARC、X86等多个指令集,发现它们不仅设计越来越复杂,还存在知识产权问题。于是伯克利的研究团队从零开始设计一套全新的指令集,这个新的指令集命名为“RISC-V”,表示为第五代RISC。

相对于X86指令集的完全封闭及Arm指令集高昂的专利授权费用,RISC-V指令集完全开源共享,任何公司、大学、研究机构与个人都可以自由免费使用,并具备精简、模块化、可拓展等优点。对于芯片设计厂商而言,除了不用担心会涉及专利问题外,RISC-V指令集展现出的灵活性亦极具吸引力。

凭借着免费、开源、灵活等优势,RISC-V指令集推出后受到众多芯片设计厂商的关注,在短短几年间在全球范围内迅速崛起。

RISC-V指令集属于一个开放的、非盈利性质的基金会,自2015年成立至今,RISC-V基金会已拥有超过327家成员,成员中涵盖了半导体设计制造公司、系统集成商、设备制造商、军工企业、科研机构、高校等各类组织,其中白金会员包括谷歌、微芯科技、美光、英伟达、恩智浦、高通、三星、西部数据等全球知名科技/半导体企业,金、银和审计员队列中亦有台积电、英飞凌、意法半导体、联发科等一众知名半导体企业。

如今,RISC-V已获得多家半导体巨头的支持。早在2017年,存储巨头西部数据宣布将把每年各类存储产品中嵌入的10亿个处理器核换成RISC-V,并于2019年2月发布其基于RISC-V指令集的自研通用架构SweRV;芯片巨头高通亦参与了RISC-V指令集厂商SiFive的融资;晶圆代工龙头台积电已导入RISC-V代工业务,近期传闻三星也将涉足RISC-V芯片代工。

除了企业、机构等单位外,多个国家亦对RISC-V作出了战略规划与部署,包括如美国国防部高级研究计划局(DARPA)资助了RISC-V基金会,并在安全征集提案中要求使用RISC-V;欧洲委员会2018年启动EPI计划,RISC-V和Arm都将作为此次计划的备选指令集;印度更是将在过去几年全面拥抱RISC-V,RISC-V已成为印度国家指令集......

中国扛起RISC-V指令集大旗

RISC-V已获得众多国家的支持,该阵营目前已相当热闹,玩家越来越多,中国厂商则是RISC-V指令集阵营的中坚力量。

目前,中国企业阿里巴巴以及小米生态链公司华米科技是RISC-V基金会19个白金会员之一,华为、全志科技、君正、乐鑫、芯来科技等中国企业及机构亦在RISC-V基金会的金、银和审计员队列中。

除了众多企业、高校和机构成为RISC-V基金会成员后,中国本土亦建立起两大RISC-V联盟。

2018年9月,中国RISC-V产业联盟(China RISC-V Industry Consortium)正式成立,该联盟由芯原控股、芯来科技、上海赛昉科技(SiFive China)、杭州中天微、北京君正、兆易创新、紫光展锐、晶晨半导体、华大半导体、上海集成电路行业协会等单位共同发起。

2018年11月,中国开放指令生态(RISC-V)联盟在乌镇世界互联网大会正式成立,成员包括北京大学、清华大学、华为、百度、紫光展锐、腾讯、华米科技、全志科技、苏州国芯等系列高校、互联网巨头及半导体企业。

此外,近两年来国内相继发布多款基于RISC-V指令集的芯片产品,中国RISC-V产业发展持续升温,其中阿里巴巴为最主要的RISC-V指令集支持者之一。

2019年7月,阿里巴巴旗下平头哥半导体发布其成立后的第一款芯片产品玄铁910,这是一款基于RISC-V指令集的CPU IP Core。同时,阿里巴巴宣布启动“惠普芯片”计划,未来将全面开放玄铁910 IP Core,全球开发者均可免费下载该处理器的FPGA代码,开展芯片原型设计和架构创新。

10月21日,在第六届乌镇互联网大会上,阿里巴巴宣布开源RISC-V内核MCU芯片设计平台。据介绍,平头哥开源MCU芯片设计平台包含处理器、基础接口IP、操作系统、软件驱动、开发工具等全套模块,搭载基于RISC-V指令集的玄铁902处理器。

该平台面向AIoT时代的定制化芯片设计需求,目标群体包括芯片设计公司、IP供应商、高校、科研院所等,目前开源的是玄铁902处理器及相关IP,不过平头哥透露,后续还将开放更多IP和玄铁处理器。

除了阿里巴巴外,华米科技、紫光展锐、兆易创新、芯来科技等芯片厂商亦已发布基于RISC-V指令集的芯片产品。

2018年9月,华米科技发布全球首款采用RISC-V开源指令集的可穿戴处理器“黄山1号”。2019年6月,华米科技基于“黄山1号”芯片打造的AMAZFIT米动健康手表发布,“黄山1号”正式商用。

紫光集团旗下紫光展锐也已加入RISC-V指令集大军中。目前,在RISC-V的商用领域,紫光展锐目前已有春藤5842和春藤5882两款基于RISC-V的芯片实现量产,紫光展锐表示未来将继续对RISC-V在5G、AI、工业半导体等领域的运用进行有益探索。

2019年8月,国内半导体企业兆易创新推出一款基于RISC-V指令集的GD32V系列32位通用MCU产品GD32VF103系列,提供从芯片到程序代码库、开发套件、设计方案等完整工具链支持并持续打造RISC-V开发生态。

RISC-V基金会银级会员之一芯来科技是国内专注于RISC-V处理器内核IP与解决方案的公司,目前也已发布面向AIoT的超低功耗产品线N200系列。该公司近期宣布完成数千万元Pre-A轮融资。

两大RISC-V联盟的成立以及多款芯片产品的推出,正在加速推动中国RISC-V产业化发展。虽然现在Arm指令集仍是中国市场最主流的指令集架构,但一方面基于RISC-V指令集免费、精简、模块化、可扩展等优点,一方面受当前充满不确定性的复杂国际环境影响,RISC-V指令集越来越受到中国芯片厂商的重视。

老牌指令集打响自卫反击战

这边RISC-V指令集来势汹汹,再加上物联网等市场需求所趋,其他指令集也开始加入开源队伍中来,老牌指令集厂商MIPS首先打响了自卫反击战。

2018年12月,Wave Computing宣布开放其MIPS指令集架构以便半导体公司、开发者以及大学能快速采用MIPS架构用于下一代的SoC芯片的设计开发。MIPS指令集从1985年第一个版本发布至今发已有30多年历史,2018年6月,美国公司Wave Computing收购了MIPS,开放MIPS指令集是该公司“All in AI”战略的重要组成部分。 

根据MIPS开放计划,其并不是所有版本的MIPS指令集,仅是最新的MIPS Release 6版本,与RISC-V指令集的开源既有所相似、亦有不同,相比之下RISC-V指令集的开源更为彻底。

继MIPS之后,一直稳坐移动通讯领域龙头的Arm亦对RISC-V指令集的发展势头万分戒备。

2018年6月,Arm建立RISC-BASICS.COM的网站,以“设计系统芯片之前需要考虑的五件事”为主题,从成本、生态系统、碎片化风险、安全性和设计保证五个方面说明RISC-V在这些方面的弊端。

虽然这个网站不到一个月就被Arm关闭,但外界从这一举动中看出Arm已受到来自RISC-V指令集的竞争压力。曾有机构调研显示,2017年Arm的IP授权收入下滑6.8%,一方面是因为被软银收购之后导致财务报表改变,另一个重要原因是来自竞争对手的增加,即RISC-V。

如果设立网站辩论仍停留在“口舌之争”,那近期Arm宣布推出Arm Custom Instructions客制化指令这一举动,更被业界看作是应对RISC-V指令集的竞争威胁。

Arm Custom Instructions将于2020年上半年开始在Arm Cortex-M33 CPU上实施,并且不会对新的或既有授权厂商收取额外费用,同时让SoC设计人员在没有软件碎片化风险下,得以针对特定嵌入式与IoT应用加入自己的指令。

据介绍,Arm Custom Instructions通过对CPU进行修改、保留编码空间得以实现,帮助设计人员轻易增加客制化数据路径扩展,同时保有既有软件生态系统的完整性。这个功能加上既有的协处理器接口,可让Cortex-M33 CPU利用针对机器学习(ML)与人工智能(AI)等边缘计算应用场景优化的各类型加速器进行扩展。

与MIPS开发计划类似,Arm的客制化指令已针对Cortex-M33,该系列主要面向物联网和轻量级AI等应用领域。某不愿具名的业内人士向笔者表示,物联网等领域需求量大,注重低成本、低功耗、高效能比等,对软件生态的依赖性相对较低、市场较为分散,Arm基于其处理器IP商业的成功推广,目前Cortex-M嵌入式领域占据多数市场份额。

但该人士也指出,其他RISC指令集处理器也有不错的表现,尤其是近期陆续有厂商推出自家RISC-V架构的芯片,未来在IoT应用不断落地的影响下,可以预见会有更多的RISC-V架构的芯片问世,这在一定程度上可能危及到Arm Cortex-M架构未来的地位。

他认为,Arm推出客制化指令,一方面是针对物联网等新兴市场提供芯片灵活性,另一方面则为了对RISC-V指令集的防守。

开发中国的开源架构才是王道

RISC-V指令集虽然火热,但其仍处发展期,产业生态仍远不如老牌厂商,MIPS、尤其是Arm针对性的“开源”计划,对RISC-V指令集本身发展以及正在火热发展RISC-V的中国市场将有何影响?

上述业内人士指出,Arm客制化指令的推出,一定程度上一定程度上在不增加客户使用成本的前提下,为物联网等客户芯片开发提供了更高的灵活性。从采用Arm指令集的芯片开发商的角度看,开源度提升无疑是好事,将拥有更多自主性、差异化以及客制化设计。

不过,该人士认为Arm此举虽然加强了Arm的客户粘度,对RISC-V起到了一定的防御作用,但并不会遏制RISC-V的发展,广大市场客户对RISC-V的研究开发热情更不会减退,尤其是中国厂商。

众所周知,中兴、华为事件爆发后,“自主可控”已成为大陆厂商抵御风险的重要保障。Arm指令集授权方式不同,尽管华为海思等已购买Arm指令集终身授权,但可能仍难以摆脱受到美国出口管制的限制;相较而言,RISC-V的开源明显比Arm更能满足“自主可控”的需求。

在这里,不得不提一下Arm去年成立的Arm中国。Arm中国是Arm与中资的合资公司,双方持股比例为中方 51%、Arm 49%,据Arm高层表示,Arm会将全球所有IP共享给中国合资公司,由它做修改、调试等,衍生出只属于中国自己的IP。

从某种意义上解读,Arm中国未来或有可能诞生属于中国的IP,但实际上合资公司要想出完全属于自己的全新IP非常困难,仍需要较长的周期。

至于暂且不受专利及国际环境影响的RISC-V,上述人士则表示,虽然RISC-V目前为开源共享,但其技术终究源自美国,并不能保证永久开源。

对于中国厂商而言,“只有开发出属于中国自己的开源架构才是真正自主可控。”

关于集邦咨询(TrendForce)

集邦咨询(TrendForce)是一家横跨存储、集成电路与半导体、光电显示、LED、新能源、智能终端、5G与通讯网络、汽车电子和人工智能等领域的全球高科技产业研究机构。公司在行业研究、政府产业发展规划、项目评估与可行性分析、企业咨询与战略规划、媒体营销等方面积累了多年的丰富经验,是政企客户在高科技领域进行产业分析、规划评估、顾问咨询、品牌宣传的最佳合作伙伴。

研究报告咨询:0755-82838930-2101

商务合作请加微信:18128855903(微信同号)

备注:以上内容为集邦咨询TrendForce原创,禁止转载、摘编、复制及镜像等使用,如需转载请在后台留言取得授权。

图片声明:封面图片来源于正版图片库:拍信网