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RISC-V生態(tài)系統(tǒng)即將爆發(fā)
2021-12-10 18:30:16
近一年來，開源指令集架構(gòu)RISC-V，備受矚目。不少公司以RISC-V架構(gòu)開發(fā)產(chǎn)品，英特爾將RISC-V IP納入了該公司的晶圓代工服務(wù)中，甚至傳出連蘋果公司也有意利用RISC-V架構(gòu)開發(fā)產(chǎn)品。
RISC-V是一種基于精簡指令集計算 (RISC) 原理的 ISA。與大多數(shù)其它ISA設(shè)計不同，它是在開源許可下提供的，無需付費(fèi)即可使用。
RISC-V項目于2010年在加州大學(xué)伯克利分校與非該大學(xué)附屬的志愿者貢獻(xiàn)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(yè)和學(xué)術(shù)部署。正式的 RISC-V 基金會（更名為 RISC-V International）擁有、維護(hù)和發(fā)布 RISC-V 定義。
在技術(shù)層面，RISC-V遵循既定的 RISC 原則并使用加載存儲架構(gòu)。這樣做的一個優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)指令的擴(kuò)展。這允許開發(fā)適合各種應(yīng)用的版本，從小型嵌入式微控制器到臺式個人計算機(jī)和帶有矢量處理器的超級計算機(jī)。
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(tǒng)（32 位和 64 位）。許多公司正在提供或已經(jīng)推出 RISC-V 硬件，從微控制器到可以運(yùn)行 Linux 的 SOM 和 SoC，以及可以包含 RISC-V 內(nèi)核的 FPGA。
據(jù)Counterpoint Research統(tǒng)計，全球半導(dǎo)體 IP 市場正接近拐點(diǎn)，因為解決方案中半導(dǎo)體含量的比例正在加快，計算、內(nèi)存、安全和其他架構(gòu)需要多樣化和開放的方法。這種需求主要受到高級應(yīng)用程序增長的推動，例如支持 AI 的智能設(shè)備、5G 通信、高性能計算 (HPC) 和自動駕駛汽車。半導(dǎo)體含量的增長將推動 IC 設(shè)計和 IP 許可行業(yè)的產(chǎn)品價值增長。”
根據(jù) Counterpoint Research 的報告“ RISC-V采用加快步伐”，到2025年，全球半導(dǎo)體 IP 市場規(guī)模將以 11% 的復(fù)合年增長率增長至86億美元。該市場的主導(dǎo)者包括Arm、Synopsys、Cadence 和 CEVA等。后起之秀RISC-V憑借其先天優(yōu)勢，具有非常大的發(fā)展和突破空間。
生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)最新進(jìn)展
最為新生的處理器架構(gòu)，最重要的就是生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。近一年來，特別是最近兩三個月內(nèi)，RISC-V處理器、開發(fā)工具、開源計劃等不斷發(fā)出，為其生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)增加了非常有分量的砝碼。
首先看中國的，近兩三個月內(nèi)，關(guān)于RISC-V的重磅消息不斷。
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(nèi)置海思自研32位RISC-V CPU，采用Lite OS操作系統(tǒng)，啟動速度快。
該芯片支持NTSC/PAL/SECAM制式解調(diào)，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(nèi)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(fā)板。
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(qū)正式亮相，再晚也值得?！?/section>
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(jù)悉，“香山”第一代內(nèi)核“雁棲湖”已經(jīng)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(yù)計功耗5W。第二代核心“Nanhu”目標(biāo)是14nm 2GHz。
性能方面，“雁棲湖”的SPEC CPU2006成績預(yù)計在9@1.3GHz，也就是7/GHz左右，大約相當(dāng)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(yù)計SPEC 2006得分能到20左右。包云崗稱，這套RISC-V架構(gòu)處理器預(yù)計每隔6個月就會迭代一次。
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(chǔ)軟件的全球首次全棧開源。
據(jù)悉，玄鐵RISC-V系列是已經(jīng)擁有150多家客戶、超500個授權(quán)數(shù)，出貨超25億顆的國內(nèi)應(yīng)用規(guī)模最大的國產(chǎn)CPU IP。
平頭哥此次開源的玄鐵系列RISC-V IP，都是經(jīng)過量產(chǎn)驗證的IP，包括玄鐵E902、E906、C906、C910，以及基于玄鐵的多操作系統(tǒng)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(tài)建設(shè)方面的表現(xiàn)。
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(gòu)中最快的內(nèi)核。
SiFive還聘請了Trefor Southwell擔(dān)任英國硬件工程高級總監(jiān)，總部位于布里斯托爾。Southwell之前是Imagination Technologies的硬件工程高級總監(jiān)，負(fù)責(zé)RISC-V。
P650處理器面向RISC-V的新市場，如數(shù)據(jù)中心，因為它可以擴(kuò)展到每個芯片16個內(nèi)核和跨多個128個內(nèi)核，并支持新的RISC-V虛擬機(jī)管理程序虛擬化擴(kuò)展。該內(nèi)核還針對邊緣計算、汽車和移動領(lǐng)域的主流芯片設(shè)計。
P650 通過在每個周期發(fā)出 40% 的指令（即 4 條指令）來提升性能，而之前的 P550 內(nèi)核則在相同的 13 級無序管道中發(fā)出指令。額外的架構(gòu)增強(qiáng)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(dá)到50%。
最近，Imagination推出了全新的RISC-V 架構(gòu)處理器Catapult系列。
Imagination稱將為迅速擴(kuò)大的RISC-V生態(tài)系統(tǒng)帶來更豐富的的產(chǎn)品和解決方案，并特別針對異構(gòu)計算系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，Catapult CPU可根據(jù)性能、效率或兩者間平衡等各種應(yīng)用場景進(jìn)行配置，使其適用于更廣泛的市場。
Catapult系列首發(fā)就有四款不同的產(chǎn)品，分別是：動態(tài)微控制器、實時嵌入式CPU、高性能應(yīng)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(xiàn)已上市；高性能應(yīng)用處理器CPU、汽車CPU將于2022年開始陸續(xù)上市。
Catapult CPU專為5G基帶、存儲、輔助駕駛和自動駕駛、數(shù)據(jù)中心、高性能計算等市場打造，均采用多線程架構(gòu)，有32位、64位兩種版本，并提供大量的可選項，客戶可根據(jù)每種應(yīng)用的需求進(jìn)行配置，比如擴(kuò)展到每個集群8個非對稱相干內(nèi)核，還可選擇添加自定義加速器。
德國的Fraunhofer IPMS為其EMSA5-FS RISC-V處理器開發(fā)了一種新選項，以支持邊緣的人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）功能。
邊緣 AI 需要功能強(qiáng)大但功耗超低且相對便宜的片上系統(tǒng) （SoC）。EMSA5-FS是一款32位、五級流水線處理器，支持RISC-V架構(gòu)。它可以包括糾錯和容錯功能。
為了提供高效的AI功能，F(xiàn)raunhofer IPMS已將TensorFlow Lite移植到核心，并添加了對Zve向量數(shù)學(xué)擴(kuò)展的支持。
RISC-V的Zve擴(kuò)展為微控制器和嵌入式設(shè)備提供矢量數(shù)學(xué)處理。它們能夠在小型、低功耗的邊緣設(shè)備中快速執(zhí)行要求苛刻的功能，如 AI 和 ML。Fraunhofer IPMS正在使用Zve指令擴(kuò)展EMSA5-FS內(nèi)核。
IAR Systems正在與處理器內(nèi)核和工具開發(fā)商Codasip合作開發(fā)基于RISC-V的低功耗嵌入式應(yīng)用工具。
用于RISC-V的IAR嵌入式工作臺的2.11版本現(xiàn)在支持Codasip的L30和L50節(jié)能低功耗嵌入式處理器內(nèi)核。這些內(nèi)核是完全可定制的，可以適應(yīng)項目的獨(dú)特需求，這需要與開發(fā)工具進(jìn)行更詳細(xì)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(diào)試器工具鏈，集成在一個IDE中。
最近，Microchip Technology推出了第二個開發(fā)套件，以簡化其PolarFire RISC-V FPGA上AI嵌入式視覺應(yīng)用的開發(fā)。
PolarFire 中端 FPGA 支持雙 4K 視頻處理，并具有運(yùn)行實時操作系統(tǒng) （RTOS） 和 Linux 等豐富操作系統(tǒng)的四核 RISC-V 應(yīng)用級處理器。
智能嵌入式視覺開發(fā)平臺加入了VectorBlox軟件開發(fā)套件（SDK）和IP，用于使用PolarFire器件對經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程，而無需事先獲得FPGA專業(yè)知識。
該平臺包括對Microchip的Mi-V RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的支持，包括AdaCore，Green Hills Software，Mentor Graphics和Wind River的開發(fā)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(nèi)部正在開發(fā)RISC-V處理器
除了以上提到的已經(jīng)正式發(fā)布的芯片、工具和開源項目之外，還有一些國際龍頭企業(yè)在秘密進(jìn)行著RISC-V相關(guān)研發(fā)工作，英特爾和蘋果就是典型代表。
據(jù)悉，英特爾內(nèi)部正在開發(fā)首款RISC-V架構(gòu)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(chǎn)品發(fā)布新聞稿中，首度對外透露的。
英特爾院士暨IP工程事業(yè)群技術(shù)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(fā)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(jié)合，Horse Creek平臺未來能夠提供有價值且可擴(kuò)展的開發(fā)工具，用于先進(jìn)RISC-V應(yīng)用的發(fā)展。
英特爾這次使用的SiFive Performance P550系列，是從之前SiFive U84微架構(gòu)發(fā)展而來，可擴(kuò)展到4核complex配置，面積大小對應(yīng)到單個Arm Cortex-A75大小，并可兼容64位RISC-V開源指令集架構(gòu)。
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(shè)計采用較為封閉的x86架構(gòu)，和以開源為主的RISC-V架構(gòu)有很大差別，所以這次英特爾決定要用SiFive的RISC-V核心開發(fā)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(dāng)時就有在背后大力投資，加上近幾年，各種新興應(yīng)用出現(xiàn)，對于處理器的使用差異很大，因此強(qiáng)調(diào)設(shè)計彈性的RISC-V發(fā)展也備受重視，當(dāng)中又以提供商用RISC-V芯片設(shè)計服務(wù)的SiFive表現(xiàn)最亮眼。而且SiFive公司創(chuàng)辦人正是RISC-V專案發(fā)起人。該公司商業(yè)模式，也跟Arm類似，以提供處理器核心IP產(chǎn)品設(shè)計為主，但不同的是，它采用了開源RISC-V指令集架構(gòu)。
英特爾一直認(rèn)定自己是從嵌入式產(chǎn)品起家的公司，RISC-V被公認(rèn)最適合這方面的應(yīng)用，英特爾自然不會放過。另外，通過建設(shè)RISC-V生態(tài)系統(tǒng)，還可以牽制Arm，甚至NVIDIA。
今年夏天，蘋果公司發(fā)布招聘信息，要求有RISC-V經(jīng)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(nèi)，該集團(tuán)在 Mac、iPhone、Apple Watch 和 Apple TV 等產(chǎn)品中設(shè)計嵌入式子系統(tǒng)。這可能表明 RISC-V 將用于支持硬件，而不是為計算設(shè)備提供動力的主處理器。
蘋果已經(jīng)為這些類型的 AI 任務(wù)制作了一個特定的神經(jīng)引擎，因此這項工作可能與此的未來版本有關(guān)。
英國嵌入式設(shè)計咨詢公司ByteSnap Design認(rèn)為，RISC-V將在2022年起飛。市場將從英特爾架構(gòu)CPU進(jìn)一步轉(zhuǎn)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(xiàn)。
Nvidia收購Arm之路很難走，如果收購成功的話，預(yù)計RISC-V架構(gòu)將真正開始起飛。
RISC-V最大的應(yīng)用為物聯(lián)網(wǎng)，預(yù)估到2025年滲透率可達(dá)約30%左右，其次為工業(yè)用途，預(yù)估2025年滲透率可達(dá)12%左右。車用IC也是RISC-V的重要應(yīng)用，2025年滲透率可超過10%。
預(yù)估到2025年，基于RISC-V架構(gòu)的IC數(shù)量高達(dá)624億顆，前景一片光明。
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