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作者 | 章漣漪
CPU是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，其架構(gòu)是芯片產(chǎn)業(yè)鏈和芯片生態(tài)的融合。然而，長期以來，占據(jù)世界芯片主要市場份額的CPU，只有X86和ARM兩種架構(gòu)。
“這種情況大概會持續(xù)下”。因此，在9月1-3日召開的泰達論壇上，中國工程院院士倪光南建議，有必要思考一下未來主流CPU架構(gòu)發(fā)展的技術(shù)路線。在他看來，這幾年國產(chǎn)CPU發(fā)展很快，現(xiàn)在國內(nèi)市場上已經(jīng)有六七種CPU架構(gòu)并存，但這并非長久之計。
CPU架構(gòu)具有很強的壟斷性，而目前中國多種國產(chǎn)CPU架構(gòu)并存，未來可能會造成資源分散、低水平重復(fù)，這種狀況不加以改進，我國將缺乏在全球市場上與X86和ARM兩家競爭的自主CPU架構(gòu)，從而在主流CPU方面仍然可能受制于人。倪光南指出，“新型的開源精簡指令的架構(gòu)“RISC-V”架構(gòu)，為我國掌握芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動權(quán)提供了機遇”。
那么，什么是“RISC-V”？它的優(yōu)勢是什么？目前應(yīng)用情況又如何呢？還面臨哪些挑戰(zhàn)？
01RISC-V是什么？
RISC-V，中文名稱是第五代精簡指令集(Reduced Instruction Set Computing)，是一種基于精簡指令集原則的開源指令集架構(gòu)。
所謂指令，顧名思義，就是給芯片下任務(wù)。處理器是一塊芯片，而芯片并不會自己工作，需要有人告訴它該做什么操作。例如“告訴芯片下個操作做乘法”，即一條指令，而一個芯片指令的合集就叫指令集。
指令集規(guī)定了二進制數(shù)的格式、尋址方式、操作類型等。與RISC-V架構(gòu)類似的，是X86架構(gòu)、ARM架構(gòu)。
但與X86架構(gòu)、ARM架構(gòu)不同的是，RISC-V架構(gòu)非?！澳贻p”。2010年，加州大學(xué)伯克利分校的研究團隊準(zhǔn)備做一個CPU，不過Intel和ARM高昂的授權(quán)費用讓他們望而卻步，轉(zhuǎn)頭決定自己做一套開源的指令集，經(jīng)過幾個月的努力RISC-V誕生。
作為較新的指令集，RISC-V的架構(gòu)具備一定的優(yōu)勢?！坝懈冗M的架構(gòu)、有更廣闊的應(yīng)用、有更經(jīng)濟的成本、有更強的生命力”。奇瑞汽車股份有限公司汽車工程技術(shù)研發(fā)總院智能車技術(shù)中心芯片規(guī)劃總監(jiān)郭宇輝如是表示。
在他看來，更先進的架構(gòu)，毋庸置疑就是RISC-V的指令集更精簡，包袱也小，不像X86以及ARM公司發(fā)展了20、30年了，它整個包袱非常大；RISC-V對于設(shè)計低功耗也更加的優(yōu)越；應(yīng)用方面，要求模塊化還有易定制，更適配物聯(lián)網(wǎng)時代海量多應(yīng)用的需求。
此外，成本方面，由于RISC-V是開源的，大幅度降低了整個芯片設(shè)計的成本，可以省去IP的授權(quán)費。同時，指令集的開源更具生命力以及可持續(xù)發(fā)展，具備從嵌入式到高性能計算領(lǐng)域的整個覆蓋能力?！?/p>
開源RISC-V的出現(xiàn)大大降低了芯片行業(yè)的門檻，人才培養(yǎng)便捷，研發(fā)周期縮短，使其后續(xù)發(fā)展具備強大生命力?！蹦吖饽戏Q，截至2022年底在Iot領(lǐng)域應(yīng)用出貨量達100億顆，用12年的時間完成了ARM近30年的發(fā)展速度；預(yù)計2025年將達800億顆甚至更高。2023也是RISC-V高性能大算力發(fā)展的元年，目前已經(jīng)有眾多企業(yè)加入其中。
02RISC-V在汽車賽道機遇
作為較新的指令集，RISC-V在技術(shù)上固然有一定的優(yōu)勢，但在國內(nèi)受到廣泛關(guān)注，最大的原因也是因為該指令集是開源免費的。目前市面上常見的指令集都是收費的，例如華為麒麟芯片，就購買了ARM家的指令集。
收費除了成本更貴以外，背后更大的“麻煩”在于，這些有指令集知識產(chǎn)權(quán)的公司均為國外公司，不利于我國實現(xiàn)關(guān)鍵芯片的自主可控。
而目前，國內(nèi)外已經(jīng)有非常多的RISC-V核心RTL代碼，很多是開源的。比如，Rocket Core、Boom Core、LowRISC SoC等均提供源代碼。如果用于商用，國內(nèi)外也有許多商業(yè)公司提供穩(wěn)定的RISC-V IP核心。例如國外的SiFive公司、Microsemi公司、國內(nèi)的阿里平頭哥、芯來科技等。
基于此，倪光南建議，我國抓住新一代信息技術(shù)發(fā)展機遇，面向未來主流CPU市場，聚焦開源RISC-V架構(gòu)發(fā)展中國芯片產(chǎn)業(yè)，通過充分發(fā)揮我國舉國體制和超大規(guī)模市場優(yōu)勢和人才優(yōu)勢，大力發(fā)展壯大RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)，增強RISC-V產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的自主可控能力，加大對RISC-V開源社區(qū)的貢獻，最終使世界主流CPU市場形成X86、ARM和RISC-V三分天下的格局。
在倪光南看來，我國發(fā)展RISC-V具有三大獨特優(yōu)勢。
首先是符合國家科技自立自強發(fā)展戰(zhàn)略，又推動全球科技創(chuàng)新。歷史上一直是X86和ARM兩種架構(gòu)壟斷CPU市場的紅利，整個芯片產(chǎn)業(yè)一直處于高壟斷態(tài)勢，開源RISC-V的出現(xiàn)打破了壟斷，為全球芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強大的推動力，相關(guān)生態(tài)環(huán)境也正在迅速發(fā)展完善。
第二，中國超大規(guī)模市場是培育未來新一代信息技術(shù)的沃土。此外，中國是世界最大工程師培育搖籃，人才優(yōu)勢為技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新提供了必要條件。
具體到汽車場景，RISC-V擁有自己的優(yōu)劣勢。郭宇輝基于此進行了詳細(xì)的介紹。
首先是車身控制BCM，車身控制是RISC-V的主要使用場景，整個車身的控制需要用到幾十顆甚至上百顆的芯片，可以實現(xiàn)物理資源的隔離，即在低成本的場合實現(xiàn)了相當(dāng)于AUTOSAR3和AUTOSAR4的水準(zhǔn)。在E擴容中NPU實現(xiàn)了各部分的軟件隔離，降低了整個系統(tǒng)的集成難度，同時提供了低成本、高效能的代碼密度擴展?！爱?dāng)然需要有更多的AUTOSAR的廠商去適配，去支持整個RISC-V”。
智慧座艙領(lǐng)域，RISC-V在智慧座艙領(lǐng)域是一個后來者。智慧座艙用高通的64位處理器，它的生態(tài)已經(jīng)非常的健全。因為建智慧座艙需要一個非常健全的生態(tài)，這個是RISC-V目前在座艙上的一些劣勢。但是RISC-V在座艙方面主要是擴展支持虛擬化，也為未來成為座艙應(yīng)用的后起之秀奠定了一定的基礎(chǔ)。同時，現(xiàn)在已經(jīng)可以支持使用Java語言的系統(tǒng)，Google也已經(jīng)宣布安卓會支持整個RISC-V。
自動駕駛應(yīng)該說是RISC-V比較好的一個應(yīng)用場景。比如說，它可以支持高性能的處理，為自動駕駛提供更強的通用計算能力。RISC-V支持自定義的指令集擴展，可以加速特定的應(yīng)用。此外，相對于競品來講安全隔離會更好，虛擬分區(qū)也是RISC-V的一個主要優(yōu)勢。
智達誠遠(yuǎn)浩瀚創(chuàng)新研究院院長施舜堯也表達了類似觀點。他表示，由于ARM發(fā)展的生態(tài)比較早，所以市場占有率也比較高。但是RISC-V近幾年通過開放的、可擴展的模式得到了很大的市場發(fā)展。
總體來說RISC-V和ARM都有各自的優(yōu)勢跟應(yīng)用領(lǐng)域，ARM的生態(tài)比較成熟，所以它在移動和高性能的計算領(lǐng)域占用主導(dǎo)地位；但RISC-V最近幾年開放性和靈活性，使得它近年來在汽車領(lǐng)域發(fā)展迅速，尤其是在MCU層面。
“MCU其實采用了RISC-V的指令集設(shè)計，可以讓芯片廠商非常快速的完成低門檻、低成本的芯片設(shè)計，并且針對特定的應(yīng)用場景進行定制化的指令集設(shè)計，所以它具有很強的靈活性?！笔┧磮蜻€指出，Googl宣布從安卓15開始支持RISC-V，這意味著RISC-V在下一代智能座艙的生態(tài)很快就要建立起來。
03RISC-V面臨的挑戰(zhàn)
機遇往往與挑戰(zhàn)并存，RISC-V發(fā)展也是如此，它在汽車領(lǐng)域發(fā)展需要滿足幾個重要因素。
首先是首先RISC-V需要展示它很有競爭力的性能跟能效，才能在汽車應(yīng)用中獲得采用。
其實是安全性和可靠性，RISC-V需要滿足行業(yè)非常嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，說服汽車制造商從ARM轉(zhuǎn)向RISC-V，可能需要徹底的測試、驗證和長期的支持保障。
再者，是強大的生態(tài)系統(tǒng)，才可以讓RICS-V在汽車領(lǐng)域的采用度提高很多。
最后是RICS-V的實施成本，雖然它具有開源特性，在許可成本上就有優(yōu)勢，但是在整車的量產(chǎn)過程中，它的開發(fā)、集成、支持遇到的量產(chǎn)問題，未來可能投入成本會比較高，這方面的改善可以更有競爭力。
相比其他，生態(tài)的不健全是RISC-V面臨的最大問題，而汽車行業(yè)又是一個強生態(tài)的行業(yè)。為此，賽道企業(yè)都在為其努力。
IAR中國區(qū)RISC-V生態(tài)總監(jiān)張桂杰稱，IAR在推動RISC-V方面做的一些工作，目前IAR已經(jīng)全面支持了國際上、國內(nèi)比較主流的，基于RISC-V的車規(guī)級的CPU的IP。其中，NA900是全球第一款通過了功能安全等級的一個RISC-V的車規(guī)級的CPU IP。
“國芯一直是致力于嵌入CPU的發(fā)展，特別是基于開源形成互補，推出了八大系列四十余款不同的CPU架構(gòu)，其中包括RISC-V在工業(yè)、高性能計算不同的CPU。”蘇州國芯科技股份有限公司董事、總經(jīng)理肖佐楠也表示，基于頭部企業(yè)需要進行了3009的開發(fā)，成為國芯第一款既滿足輔助駕駛，又能滿足跨域融合RISC-V MCU，今年或者明年初就會推出。
郭宇輝也從主機廠角度對RISC-V合作生態(tài)進行了思考。據(jù)其介紹，從整個技術(shù)來看，在芯片設(shè)計、制造、封測以及上車方面，奇瑞在積極地跟國內(nèi)的芯片廠商進行合作，來定義整個RISC-V的測試架構(gòu)。“從芯片RISC-V的NPU底層一直到芯片的驅(qū)動以及軟件庫，再到工具鏈以及AUTOSAR的生態(tài)，RISC-V既要支持基于AUTOSAR的車規(guī)安全，也要兼顧RISC-V的整個生態(tài)。所以我們也要建立另外一套非車規(guī)安全的工具鏈，去適配更多的應(yīng)用開發(fā)”。
實際上，不止CPU，汽車行業(yè)也在GPU領(lǐng)域給予RISC-V進行研究。
上海清華國際創(chuàng)新中心副主任何虎稱，參考RISC-V指令級、CPU指令級發(fā)展脈絡(luò)，我們覺得如果能夠在GPU架構(gòu)上有一個開源開放指令級，是不是也可以有機會成為世界第三級。
目前，其正在開發(fā)的開源通用GPU指令集架構(gòu)OpenGPGPU，采用的就是基于RISC-V的標(biāo)量和向量擴展來作為GPGPU的基礎(chǔ)指令級，目前定義的開源GPU指令級架構(gòu)大約是90%以上的指令是RISC-V指令，會有一部分是其自定義的為GPU專門設(shè)計的指令。
“今天我們面臨百年未有之大變局。中國在發(fā)展CPU產(chǎn)業(yè)時，要注重未來主流CPU的發(fā)展趨勢?！?strong>倪光南希望，能有更多企業(yè)聚焦開源RISC-V架構(gòu)，大力推進RISC-V生態(tài)建設(shè)，最終使RISC-V架構(gòu)能夠在世界CPU市場與X86和ARM三足鼎立。
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