与 x86、ARM 三分天下，全球“开花”的 RISC-V 如何成为中国最受欢迎芯片架构？

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与 x86、ARM 三分天下，全球“开花”的 RISC-V 如何成为中国最受欢迎芯片架构？
凌敏
2023-09-10

与x86、ARM三分天下，全球“开花”的RISC-V如何成为中国最受欢迎芯片架构？
2010 年，加州大学伯克利分校的研究团队开始了一项新的探索项目：希望创建一个全新的开源指令集架构，这个架构具有易于理解的简洁指令集，并且能够提供高性能和低功耗的性能。这个项目就是 RISC-V。与大多数指令集相比，RISC-V 指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售 RISC-V 芯片和软件。



经过十余年的技术发展和社区的不断努力，如今 RISC-V 已经成为和 x86、ARM 并列的三大主流芯片架构。目前，RISC-V 被广泛应用于物联网、智能家居、AI、高性能计算等多个领域。RISC-V 国际基金会去年年底公布的数据显示，RISC-V 国际基金会的会员数量同比增长超过 26%，在 70 个国家/地区拥有超过 3180 名会员。如今，市场上有超过 100 亿个 RISC-V 核心，全球有数万名工程师致力于 RISC-V 计划。



那么，RISC-V 是如何在一众指令集架构中脱颖而出的？如何更好地推进 RISC-V 技术创新和生态建设？如何才能进一步推动 RISC-V 的产业化落地？



日前，在“第三届 2023 RISC-V 中国峰会”上，RISC-V 国际基金会 CEO Calista Redmond，本届峰会主席、中国科学院软件研究所总工程师武延军，开源芯片研究院首席科学家、中国科学院计算技术研究所副所长包云岗，平头哥半导体生态副总裁杨静，奕斯伟计算高级副总裁、首席技术官何宁，沁恒微电子技术总监、瑞斯科研究院院长杨勇，芯来科技市场战略副总裁李珏，算能科技产品总监陆吉年，Andes 晶心科技董事长暨执行长林志明，赛昉科技董事长兼 CEO 徐滔，SiFive 产品营销高级经理林宗民，Semidynamics 创始人兼 CEO Roger Espasa 接受了 InfoQ 在内的媒体采访，进一步分享大家对于 RISC-V 技术发展和生态建设的理解与实践经验。

RISC-V 缘何杀出重围？


基于开源开放的特点，RISC-V 架构在过去十余年中飞速发展，一跃成为 x86、ARM 最强有力的挑战者。有数据指出，ARM 架构用了 17 年完成 100 亿内核出货量，而 RISC-V 只用了 12 年。此外有预测数据显示，到 2025 年 RISC-V 架构的处理器核的出货量将突破 800 亿颗。



回顾历史，RISC-V 并不是唯一开源的指令集架构，此前不少指令集架构有过短暂的辉煌，但终究没能稳坐浪潮之巅，RISC-V 缘何杀出重围？



Calista Redmond 在接受采访时表示，一种架构能够被多方所拥抱、采纳，历来是以波浪式的方式所进行的。有的公司愿意做“第一个吃螃蟹的人”，会最早采纳新的架构；有的公司是“等待者”，他们看有更多同类型的公司采纳新架构，才会有拥抱意愿；有的公司是“后来者”，他们要等到整个行业都采用这个新架构，整个生态系统也建立起来了，或者他们的合作方、合作伙伴有采用 RISC-V 架构的要求，才会加入进来。“市场的影响力是巨大的。对于多数公司来说，被客户推动是他们选择新架构最大的因素，比如授权证书方面的条款，以及客户对兼容性提出的要求。此外，未来公司的机会在什么地方，也是他们选择新架构的驱动因素。”



Calista Redmond 认为，过去的 50 多年里确实曾经出现过多个指令集架构，但只有 x86、ARM 这两个指令集架构与众不同，并且站稳了脚跟。其背后的原因就是 x86 和 ARM 在工作负载、规模以及纵向的整合能力方面有比较突出的表现。



“现在移动终端的计算和过去有所不同，我们相信，在这个新的时代，一个指令集架构是否能够变得成熟丰富，一方面取决于生态的建立以及商业模式，另一方面取决于架构本身，这都构成了指令集架构的成功变量。这里面要特别强调的是开放性和合作，具体包括和不同的合作伙伴以及客户的合作，这些非常重要。此外，在这个时代，指令集架构能够给予设计者以及设计过程更大的自由度，避免和一个公司深度捆绑带来的一种局限。”Calista Redmond 说道。



在技术特性方面，RISC-V 与其他指令集架构相比有很多相似点，区别在于 RISC-V 在技术设计上更有弹性，更有针对未来的扩充性，在商业模式上也能提供更大的灵活度。“这个灵活度是大家检视自己的应用，或者往新应用发展的时候，不依赖单一的供应商，这应该是大家真正喜欢用 RISC-V 做未来新应用的原因。”林宗民表示，过去几年国内拥抱 RISC-V 的热情高涨，在软硬件生态上持续投入，在全世界都是有目共睹的。



此外，不少受访专家提到，过去几年 RISC-V 最明显的变化就是逐渐走向高端。



何宁表示，过去，RISC-V 架构主要应用于物联网领域。在最近两年，大家能明显感受到 RISC-V 已经开始在一些中强生态的场景中得到应用，如 AI 计算、车载、多媒体计算等等。“比如在多媒体领域，Android TV 带有一定的生态，但 APP 或软件数量不如平板和手机多，相对比较可控。此外，一些电视主机厂也在开发自己的操作系统和应用程序。在这些场景中，客户有时会询问我们 RISC-V 架构的芯片何时能够落地，或者能否在这方面合作。未来，这些领域都可能是 RISC-V 非常好的应用场景。另外还有一些对算力有要求但不涉及生态软件的领域，例如 DPU，也可能是 RISC-V 非常好的落地场景。总的来说，在过去的两三年里，RISC-V 可以发力的地方非常多。”



在徐滔看来，最近两年，RISC-V 走向高端的趋势已经越来越明显。随着 RISC-V 核规格的不断升级，从 A5 提升到 A7，甚至更高，其性能和功能也在不断提升。与此同时，超过 10 核的 RISC-V 版本也越来越多。“基于 RISC-V 的高性能芯片已经用于数据中心和 AI 领域。在美国，不少 Startup 公司都专注于数据中心的高性能计算。从投资的角度看，去年以来，在 RISC-V 领域涌现出了一批专注于高性能计算的 Startup 公司，并且拿到了投资。虽然在高端芯片市场还有很多其他好产品，但是 RISC-V 的变化和发展是值得注意的。”



这种高端化的应用趋势能够推动 RISC-V 进一步发展，并促进 RISC-V 生态系统不断壮大，为更多的应用领域提供更好的支持和解决方案。

RISC-V 生态建设进入加速期


对于 RISC-V 而言，能否在市场上取得成功，很大程度取决于生态。然而在早期的发展过程中，RISC-V 处理器主要集中在微控制器、微控制单元（MCU）这一层次，对于 MCU 以及嵌入式领域的一些应用来说，其生态短板明显。随着处理器能力不断升级，RISC-V 成功登陆 PC、笔记本和服务器，有越来越多的软件可以跑在上面。这时，生态才真正显现出来。



Calista Redmond 表示，RISC-V 国际基金会非常看重生态的建立，在生态建设上会采取非常广泛的视野，同时也强调全球方面的合作，比如和其他基金会合作，以加速这种生态的建成。



“对我们来说，生态系统中最重要的是利益相关方，包括工程师、学生、中小企业、跨国企业，还有硬件、软件生产厂商，以及各种工具、资源等等。谈到生态，我们相信它既是技术的问题，也是市场营销、商务的问题。我们强调不同技术团队来应对不同行业的需求，比如汽车制造业、数据中心，同时，我们也强调实施的重要性。在市场发展上，我们会一步步地关注汽车产业、数据中心、云部署、通讯业、移动终端等。在中国，我们强调与不同的协会进行合作，并与中国的学术界和行业合作，以帮助这个生态系统变得越来越成熟。我们还重视与硬件厂商的合作，相信这个生态系统能够使各种应用无缝链接移植到 RISC-V 技术架构上。因此，对我们来说，生态建设和合作具有非常重要的意义。任何玩家肯定都会强调多架构的部署，同时也要强调持续的优化。”



在工具链层面上，从 2020 年开始，RISC-V 的软件优先级重要性提升，发展模式也变成了以软件驱动为主。要想支持 RISC-V，首先需要建立工具链，对于芯片来说，必须有编译工具链才能发挥其指令集特性。



据武延军介绍，工具链一般有两种方式：一种是厂家自己开发，提供私有的工具链，每推出一款开发平台就有一套与之匹配的工具链；另一种是大家共同打造一个公共的工具链，对于私有的部分，可以以 binary 的方式提供，但其中 90% 都是公共打造的。对于 RISC-V 来说，第二种方式更为合适。



“在几年前中国科学院先导专项支持下，我们开始开发 RISC-V 原生操作系统，其中很核心的一点就是做相应的编译工具链。我们在 GCC 和 ALVM（开源的架构编译器框架）上大量做指令集相关后端的实现，同时跟随 RISC-V 基金会标准的及时进程提供相应的参考实现。”武延军表示，现在的工具链参与方越来越多，功能也越来越完善。随着 RISC-V 指令集不断发展，指令集标准规范逐步完善，工具链也将逐渐成熟起来。“在过去的一年多时间里，我们陆续看到了很多知名开源社区、开源操作系统发行版都在支持 RISC-V。RISC-V 已经在软件生态建设的路上，走得越来越快。”



经过十余年发展，RISC-V 生态不断壮大，但仍有大量问题亟待解决。包云岗在接受采访时表示，要想让 RISC-V 在更多领域里发挥作用，软硬件仍很多工作要做。



具体来说，在硬件层面，除了 RISC-V CPU Core，还有外围互联的芯片，怎么把这些 Core 更好地连接起来仍有很多工作要做。目前在 RISC-V 硬件生态领域里缺少高质量的 IP，这可能会制约数据中心服务器级芯片的进一步提升。



软件生态方面，当前软件生态最大的复杂度是大量的软件包需要移植到 RISC-V 整个架构上，这些软件包又分为系统软件和应用软件。系统软件包方面，像 RadHat 有很多发行版，每个发行版都有两三万个软件包，这些软件包都需要移植过来；应用软件包方面，以 Android 软件为例，加起来大概有 900 万个 App，如果用 RISC-V 来做手机芯片，需要考虑如何将这些应用移植过来。这些都是存量生态里需要解决的问题。



包云岗认为，最好的方式是找到增量的生态和增量应用场景。无论是 x86 还是 ARM，现在还没有形成主流，RISC-V 正与它们处于同一条起跑线上。在这种情况下，RISC-V 的优势就可以发挥出来。它可以通过开放和开源的方式，联合全世界更多的开发人员，快速构建和发展这个生态。“大家都在关注这个新市场，很多人认为移动汽车是未来有前景的领域，而 RISC-V 也可以在其中发挥作用。我们期待在未来，比如从汽车领域的自动驾驶领域切入，形成新的生态，并逐步影响其他传统的生态。”



当前，越来越多的中国企业积极参与到 RISC-V 国际生态建设中，对于那些还未参与到 RISC-V 生态的中国企业，武延军认为首先需要在认识层面上进一步提升。比如，有时为 RISC-V 软件生态做贡献可能没有直接的收益，但如果代码能进入主流系统代码，如 Linux 内核、GCC 编译器支持、LLVM 编译器支持，意味着能够在更大的舞台展示自身实力，并提高在软件生态中的发言权。



“如果能够真正参与并贡献到主流的上游软件，将获得双重收益：一是品牌效应，二是对运营成本的降低。中科院软件所的目标是将基础软件做成 RISC-V 软件中的数字公共品，我们很早就在 RISC-V 社区中组建了 PLCT 实验室，专门为 RISC-V 生态做软件贡献，并在过去几年得到了国际社区的认可。现在，中科院也有新的先导专项，专项名称是 RISC-V 基础软件，以支持继续打造 RISC-V 基础软件生态。在这个过程中，我们将联合国内企业共同为 RISC-V 生态做贡献。”武延军说道。

如何推动 RISC-V 产业化落地？


目前来看，RISC-V 已经进入了从 1 到 N 的阶段，并被广泛应用于物联网、智能家居、AI、高性能计算等多个领域，也有越来越多的企业开始拥抱 RISC-V。



杨勇表示，基于新指令集架构设计内核和芯片一直存在两个问题，即生态和自主。但随着 RISC-V 的逐步流行，生态和自主不能兼顾的情况有所转变。“我们早先选择 RISC-V 设计芯片 时就意识到生态的必要性，所以我们推动了免费 IDE MRS 全面支持了青稞 RISC-V 全系列芯片。我们一方面自主研发 RISC-V 处理器及芯片，另一方面提供 USB/蓝牙/以太网相关的应用解决方案，两个方面齐头并进，双轮驱动助力 RISC-V 尽早遍地开花。”



目前 RISC-V 已经进入到一个主频在 2GHz 以上的高性能阶段，很多应用都可以使用 RISC-V 来实现。未来，从边缘侧的 AP 迭代到工业界的智能化升级，甚至到车载的 ADAS 系统或数据中心对高级算力的需求，都会有 RISC-V 发挥潜能的地方。



“我想越来越多的人会看到，高性能的核和更丰富的软件，这两条路一定要一起走。”杨静认为，除了要关注 RISC-V 在 CPU 性能上的提高，还需要关注生态中的两个重要组成部分：



首先，在高性能之上，需要更丰富、更好用的软件配套。从应用落到硬件，中间的过程非常漫长，需要所有合作伙伴共同努力，将软件能力补齐，才能真正帮助 RISC-V 应用于各个领域。

其次，任何一个新的架构都需要找准自己的生长点，与“杀手级应用”协同爆发。比如，当年 ARM 的崛起，就是依托于智能手机市场的爆发。而如今，AI 浪潮袭来，也让 AI 原生的 RISC-V 架构有更多的“出圈机会”。依托于 RISC-V 本身具有的灵活和可扩展性等特点，通过平头哥 Vector、Matrix 扩展指令集以及 AI 部署工具 HHB 等，RISC-V 完全有能力在 AI 领域取得新突破。



“如果今天能够将 RISC-V 架构原生的 AI 潜力充分释放，使 CPU 的能力与 RISC-V 的扩展相结合，那么 RISC-V 就一定能够打入 AI 领域。现在 AI 已经渗透到各行各业，RISC-V 除了需要继续提高计算能力，也需要加强 AI 能力，这也是我们平头哥接下来会持续投入的方向。”杨静说。



那么，如何才能进一步推动 RISC-V 的产业化落地？



何宁认为关键在于产品。目前，奕斯伟计算构建了数十款 RISC-V 架构的产品，在推动 RISC-V 产业化落地方面，何宁总结了三点心得体会：



首先，需要拥有强大的内核研发能力。从内核研发到产业化落地，在同一个公司内部周期非常短，产品团队可以直接向内核团队提出需求，并快速调整，以适应市场需求。这种适配能力可以为产品带来强大的竞争优势。

其次，产品本身要有行业影响力。一个行业的头部产品能够为其他产品提供示范效应，能够推动 RISC-V 架构的落地。

最后，要实现生态的规模化推广，需要确保有足够的应用产品数量。奕斯伟计算的经验是，只要能够采用 RISC-V 架构，产品都会采用，每年都有许多颗 RISC-V 芯片同时实现产业化落地，采用 RISC-V 架构的比例越来越高。这种规模化效应非常强大，能够推动 RISC-V 生态的快速发展。



同时，RISC-V 架构的出现也为车规应用带来了新机遇，不少受访专家提到，车辆是 RISC-V 新的爆发点。



在过去，车载芯片要么采用 ARM 架构，要么采用欧洲芯片公司的私有架构，这些架构都需要在欧洲严格的车辆场景下通过认证。中国公司在开发车载芯片时，要想满足相关标准或是出口到欧洲，必须按照车规标准来打造芯片和系统。对于国内芯片厂商来说，在 IP 层面的选择非常少。



RISC-V 开放架构的出现，使得基于该架构的车规级 IP 得以实现，这将极大地拓宽应用领域的范畴。此外，RISC-V 具有许多可以定制的优势，在这方面采取了与 ARM 不同的策略：ARM 先有通用的内核，然后在移动端有 Android 生态和一些特殊的 iOS 系统需求。但在汽车领域，目前还没有一个统一的操作系统或统一的 AUTOSAR 架构（AUTomotive Open System Architecture，汽车开放系统架构）。



李珏认为，当前汽车软件和工具链仍比较碎片化，“如果使用 ARM 一个架构适用于所有情况，那么从上层软件厂商和操作系统到应用程序厂商都很难找到通用性。现在购买的电动车或新能源车的 APP 也不是通用的。包括地图，每家都在进行适配，就像以前的的山寨机一样，一款 APP 需要适配各家的机型，现在车辆上还是这种情况。因此，如果从底层的指令集上支持这些应用是一个标准的话，就可以支持多家核、多家标准、多家处理器核和多家芯片，这样上层开发软件就有可能利用 RISC-V 的标准场景做统一。这样，RISC-V 在汽车电子领域将有巨大的应用市场。”



李珏提到，两年前，芯来开始在国内做车规级芯片的布局。大约半年后，有客户开始导入芯来的 IP，使用芯来的 IP 进行车规芯片的开发。“我们获得了车规认证后，他的 IP 和 CPU 部分就不需要再证明功能安全的等级特性，可以将 CPU 视为一个黑盒使用，只需要证明他的外围设备、工具链以及最终的软件是车规级的即可。这将有助于加快国内一些公司开发车规级芯片的流程，缩短时间。”

2023-09-10 03:00
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