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處理器芯片是信息產(chǎn)業(yè)的基石，并且支撐超過10萬億元的電子制造業(yè)；指令集架構(gòu)（ISA）則作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件與軟件之間交互的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是處理器芯片生態(tài)的基石。幾十年來，指令集均屬于公司私有，而加州大學(xué)伯克利分校于2010年開放的RISC-V指令集則提出了“指令集應(yīng)免費(fèi)”的新理念，促進(jìn)了“開源芯片”的蓬勃發(fā)展。
從芯片設(shè)計(jì)的整體流程來看，“開源芯片技術(shù)體系”具有三個(gè)層次：第一個(gè)層次是開源指令集；第二個(gè)層次是開源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，第三個(gè)層次是開源工具或開放流程。首先利用開源的指令集手冊(cè)作為基礎(chǔ)，通過微架構(gòu)設(shè)計(jì)形成處理器設(shè)計(jì)文檔，再將設(shè)計(jì)文檔通過工程開發(fā)的方式生成RTL代碼，最后利用EDA工具來完成芯片版圖。在這個(gè)過程中，開源指令集只是第一步，后續(xù)還需要進(jìn)一步完成“冰山”下面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)開源及工具流程開源，這才算是打通“開源芯片”產(chǎn)業(yè)的全鏈條。
開源芯片技術(shù)體系的三個(gè)層次
RISC-V生態(tài)陣容快速壯大
RISC-V作為開源指令集，從設(shè)計(jì)理念上摒棄了“歷史包袱”，具有精簡(jiǎn)、低功耗、模塊化、可擴(kuò)展、開放開源等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。非盈利組織RISC-V國(guó)際基金會(huì)(RISC-V Foundation)負(fù)責(zé)RISC-V指令集架構(gòu)及其軟硬件生態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化、保護(hù)和推廣。
在標(biāo)準(zhǔn)制定上，RISC-V國(guó)際基金會(huì)在2021年批準(zhǔn)了16個(gè)規(guī)范，新增40多個(gè)RISC-V擴(kuò)展；在2022年又發(fā)布了四項(xiàng)新規(guī)范，包括RISC-V E-Trace、RISC-V SBI、RISC-V UEFI規(guī)范和 RISC-V Zmmul僅乘法擴(kuò)展，用于加速嵌入式和大型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
在生態(tài)建設(shè)上，RISC-V國(guó)際基金會(huì)已吸引全球70多個(gè)國(guó)家的2300個(gè)會(huì)員，覆蓋芯片廠商、芯片設(shè)計(jì)服務(wù)公司、軟件提供商等軟硬件公司，以及大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和投資機(jī)構(gòu)等，生態(tài)陣容快速壯大。截至2022年3月，在RISC-V國(guó)際基金會(huì)的機(jī)構(gòu)會(huì)員中，中、美、歐三方呈現(xiàn)并駕齊驅(qū)的態(tài)勢(shì)。其中，中美企業(yè)的參與度較高；歐洲學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的參與度較高。此外，印度政府推出了RISC-V處理器發(fā)展規(guī)劃，俄羅斯則加大扶持RISC-V架構(gòu)的力度，這些都體現(xiàn)出世界各國(guó)高度重視RISC-V的發(fā)展。
RISC-V國(guó)際基金會(huì)會(huì)員分布情況
在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上，RISC-V國(guó)際基金會(huì)資料顯示，全球已有111個(gè)開放或商用的RISC-V處理器核。國(guó)際方面，2011年，加州大學(xué)伯克利分校開源了基于Chisel開發(fā)的Demo級(jí)Rocket-chip，隨后又開源了一款面向更高性能目標(biāo)的超標(biāo)量亂序發(fā)射亂序執(zhí)行處理器核BOOM Core；蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(ETHZurich)開發(fā)了一款開源的單核MCU SoC平臺(tái)，并配套了多款32位RISC-V處理器核,分別是RI5CY、Zero riscy和Micro-riscy；從2015年開始，SiFive公司發(fā)布了多種基于RISC-V的處理器內(nèi)核，包括P270、P550、P550等高性能RISC-V處理器核。
除此之外，開源處理器核只是大家能看到的“冰山一角”。實(shí)際上，在“冰山”下面，從前到后的整套芯片開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施更為龐大。這一基礎(chǔ)設(shè)施貫穿整個(gè)芯片設(shè)計(jì)流程，覆蓋從微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間、RTL代碼實(shí)現(xiàn)、RTL級(jí)仿真、形式化驗(yàn)證、等價(jià)性檢查、模型檢驗(yàn)、邏輯綜合等前端所需要的功能，到布局布線、時(shí)鐘樹綜合、靜態(tài)時(shí)序分析、時(shí)鐘樹綜合、物理驗(yàn)證等物理設(shè)計(jì)所需要的功能，再到分辨率增強(qiáng)技術(shù)、光學(xué)鄰近校正、逆光刻技術(shù)等和制造相關(guān)的技術(shù)，也即所謂的“工具鏈”。
目前，在傳統(tǒng)EDA行業(yè)里，Cadence、新思科技及明導(dǎo)國(guó)際公司在ASIC領(lǐng)域占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)份額，賽靈思和Ahera在FPGA領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。但開源芯片的逐步推廣，也帶動(dòng)了開源EDA工具鏈的發(fā)展。2018年，美國(guó)提出了開源硬件計(jì)劃，意在通過開源的EDA工具進(jìn)一步降低硬件電路的設(shè)計(jì)和開發(fā)成本。同時(shí)，高校和組織也在不斷進(jìn)行一系列開源EDA項(xiàng)目的建設(shè)，如DATC、VSDOpen和OpenROAD等。盡管和商用EDA工具相比，開源的EDA全流程工具鏈的質(zhì)量還有較大差距，但是業(yè)界可以持續(xù)在“開源工具或開放流程”這個(gè)維度上，沿著“開源敏捷設(shè)計(jì)工具鏈”這個(gè)主線，推動(dòng)“開源芯片生態(tài)”發(fā)展。
產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要全方位生態(tài)支持
從技術(shù)角度看，標(biāo)準(zhǔn)的RISC-V指令集本身并沒有較大的技術(shù)難點(diǎn)，但由于RISC-V指令集的可擴(kuò)展性、需求和設(shè)備的多樣性、硬件設(shè)計(jì)的靈活性和自由度，極易導(dǎo)致開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)不一的問題和碎片化風(fēng)險(xiǎn)。在處理器設(shè)計(jì)方面，中低端RISC-V處理器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基本沒有太大挑戰(zhàn)，市場(chǎng)上也推出了相應(yīng)的量產(chǎn)化芯片產(chǎn)品；但是在高性能處理器上，由于在關(guān)鍵的微架構(gòu)設(shè)計(jì)方面缺乏經(jīng)驗(yàn)和核心技術(shù)，業(yè)內(nèi)還亟需加大對(duì)RISC-V高性能處理器架構(gòu)的深入研究和探索。
從生態(tài)角度看，RISC-V目前依然缺少完備的生態(tài)系統(tǒng)，遠(yuǎn)不如X86和ARM的生態(tài)成熟。盡管RISC-V在對(duì)生態(tài)依賴較小的嵌入式、低功耗場(chǎng)景中應(yīng)用進(jìn)展較快，并且專用芯片已有一定的出貨量，但整體覆蓋面、顯示度和標(biāo)桿度卻依然不夠，缺少一款能讓RISC-V“出圈”的殺手锏應(yīng)用，比如基于RISC-V的超級(jí)計(jì)算機(jī)、RISC-V數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、RISC-V桌面終端等。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，RISC-V尚待大量應(yīng)用的檢驗(yàn)；針對(duì)高性能芯片領(lǐng)域，RISC-V尚需操作系統(tǒng)、算法庫、領(lǐng)域應(yīng)用等軟件生態(tài)的全面支持。此外，除了RISC-V指令集開源，整個(gè)產(chǎn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)類似互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的敏捷開發(fā)和快速迭代，還需要包括開源處理器、開源工具鏈、開源IP核、開源SoC、操作系統(tǒng)、編譯器等工具鏈的全方位生態(tài)支持，而這將是一個(gè)“道阻且長(zhǎng)，任重道遠(yuǎn)”的過程，需要國(guó)內(nèi)外研發(fā)人員的共同努力。
RISC-V生態(tài)未來可期
在全球CPU市場(chǎng)上，盡管英特爾推動(dòng)的X86架構(gòu)市場(chǎng)依舊龐大，低功耗領(lǐng)域則被ARM占領(lǐng)，但截至目前，RISC-V的出貨量已經(jīng)達(dá)到100億顆，并且在嵌入式和MCU芯片領(lǐng)域還在不斷大量增長(zhǎng)，這能夠說明RISC-V生態(tài)發(fā)展正呈現(xiàn)明顯加速態(tài)勢(shì)。RISC-V生態(tài)未來可期,并且呈現(xiàn)出以下幾個(gè)新態(tài)勢(shì)。
新態(tài)勢(shì)一，高性能RISC-V處理器核已經(jīng)進(jìn)入競(jìng)賽階段。盡管RISC-V處理器核與X86/ARM在性能上還存在一定差距，但性能差距正在快速縮小。一批國(guó)內(nèi)外企業(yè)瞄準(zhǔn)高性能RISC-V處理器，把RISC-V從嵌入式場(chǎng)景拓展到工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛、人工智能、通信、數(shù)據(jù)中心等對(duì)算力要求更高的場(chǎng)景。例如，SiFive發(fā)布了Performance系列高性能應(yīng)用處理器；Ventana開發(fā)了面向數(shù)據(jù)中心的多核 RISC-V小芯片。同時(shí)，RISC-V國(guó)際基金會(huì)已成立數(shù)據(jù)中心工作組（Datacenter SIG）和高性能計(jì)算特別興趣小組（HPC SIG）。其中，數(shù)據(jù)中心工作組主要由谷歌、Ventana等組成，高性能計(jì)算特別興趣小組則由141名成員組成，專注于促進(jìn)高性能RISC-V處理器生態(tài)的發(fā)展。
新態(tài)勢(shì)二，AIoT碎片化需求帶來處理器生態(tài)變革機(jī)遇。隨著智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）時(shí)代的到來，處理器芯片規(guī)模將達(dá)到千億顆以上。但由于物聯(lián)網(wǎng)AIoT的需求和市場(chǎng)極度碎片化，現(xiàn)有處理器設(shè)計(jì)方法也將更加多元化，不僅亟需發(fā)展處理器芯片設(shè)計(jì)新方法和技術(shù)體系，同時(shí)有望推動(dòng)芯片公司設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)和授權(quán)業(yè)務(wù)的全面發(fā)展。
新態(tài)勢(shì)三，RISC-V軟件生態(tài)正在加速發(fā)展。從開發(fā)者數(shù)量和工具的豐富程度來衡量，RISC-V已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，國(guó)際開源社區(qū)積極投入RISC-V軟件生態(tài)。以Linux發(fā)行版Debian為例，開源社區(qū)于2019年開始支持RISC-V，并且在全世界開源社區(qū)的努力下，僅用3年時(shí)間就完成了2萬多個(gè)軟件包中95%的移植，使RISC-V成為Debian支持的Tier-1架構(gòu)。
Debian開源社區(qū)3年時(shí)間完成95%軟件包的移植
總體來說，“建立開放開源、共享共治的處理器芯片生態(tài)”是在后摩爾時(shí)代應(yīng)對(duì)芯片技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)的新思路之一，而RISC-V應(yīng)時(shí)而生，占據(jù)著天時(shí)地利人和，相信在全球創(chuàng)新力量的共同努力下，RISC-V在AIoT時(shí)代必定大有可為。
作者丨中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員包云崗、北京開源芯片研究院高級(jí)工程師任睿
編輯丨劉晶
美編丨馬利亞
監(jiān)制丨連曉東
