RISC-V 讓 ARM 緊張的原因為什麼是彈性?

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 04 日 15:45 | 分類 晶片 , 軟體、系統 follow us in feedly

PC 時代成就了 x86,行動網路時代 Arm 是絕對的主流,即將到來的 IoT 時代,哪種指令集架構會成功?不少人看好 RISC-V。隨著 RISC-V 在全球特別中國關注度提升,Arm 顯然感到壓力,並公開質疑 RISC-V 的成本、生態系統、版本分裂、安全性、設計保證等問題。讓 Arm 真正有壓力的,既不是開源也不是效能,而是彈性?



▲ RISC-V 基金會成員。

RISC-V 的中國熱潮

RISC-V 是精簡指令集架構(ISA),源自加州大學柏克萊分校 2010 年的新專案,架構簡單、完全開源,且可透過延伸指令自訂。推出幾年後受到全球巨頭的支援,輝達、WD、Google、高通、微軟、華為、阿里巴巴等都加入 RISC-V 基金會。且在印度政府的大力資助下,RISC-V 還成為印度的國家指令集。

RISC-V 指令集在中國更受關注,特別是去年中興事件引發全民對中國芯的關注。「中國 RISC-V 產業聯盟」和「中國開放指令生態系統(RISC-V)聯盟」也在去年相繼成立,上海市經濟資訊委發表的「上海市經濟資訊化委關於開展 2018 年度第二批上海市軟體和積體電路產業發展專項資金(積體電路和電子資訊製造領域)項目申報工作的通知」包含基於 RISC-V 指令集架構的處理器晶片方向,可視為中國首個支援 RISC-V 的相關政策。

除了聯盟和政策,中國企業也在推動 RISC-V 發展,中天微去年 9 月發表支援物聯網安全的 RISC-V 處理器,同月,華米也發表 RISC-V 開源指令集可穿戴處理器。

此時,非營利性組織 RISC-V 基金會希望進一步加速 RISC-V 生態系統在中國的發展,為此成立了中國顧問委員會,並任命半導體資深人方之熙博士擔任主席,帶領委員會在中國推廣 RISC-V 應用,對 RISC-V 基金會的教育與應用推廣戰略提供指導性意見,同時為 RISC-V 基金會和中國政府之間的橋梁。

RISC-V 的熱潮仍在持續,5 月 6 日,RISC-V 基金會開啟了為期 11 天、跨越 5 個城市的 RISC-V 中國路演,在開幕站深圳,阿里巴巴集團平頭哥半導體、芯來科技、晶心科技、UltraSoC、GreenWaves、SiFive 等公司,分享在 RISC-V 方面的最新進展及對 RISC-V 發展的見解。

RISC-V 能讓中國芯避開走不通的兩條路

方之熙在半導體領域有 30 餘年經驗,擁有近 40 項全球專利,曾任英特爾副總裁,並擔任英特爾中國研究院第一任院長。對中國 RISC-V 熱潮,方之熙接受雷鋒網專訪時表示:「RISC-V 在中國受關注有許多原因,但最主要的原因還是中興通訊事件之後,從民眾到產業界都意識到晶片是非常重要的產業,中國必須有自主可控的晶片。」

▲ RISC-V 基金會中國顧問委員會主席方之熙博士。

「但有兩條路證明走不通,一條就是關起門來自己做,典型的就是龍芯。因晶片還是商品,效能再高,沒人用就沒有價值,所以必須有相應的生態系統發揮價值。第二條路就是跟在別人後面,中國有許多公司做 x86、Arm、IBM Power 晶片,在某些特殊領域,用這些指令集架構確實可以做一些事,但受 ISA 所屬公司知識產權(IP)的控制,很難取得成功。」方之熙指出。

RISC-V 全球開放架構沒有知識產權的限制,對中國而言是很好的機會。方之熙表示,RISC-V 既不是關起門來自己做,也不是跟在別人後面,希望中國抓住這個機會,開發自己的 CPU 或 MPU(微處理器)。

不過,生態建設對指令集的成功至關重要,因為在晶片產業,構建生態系統時,一開始就有軟體支援架構,之後形態就很難改變。RISC-V 生態建設剛起步,涉及很多軟體,特別是系統軟體,但系統軟體本身不賺錢,RISC-V 又是開源,因此美國 RISC-V 基金會董事會提了很多建議,希望美國大公司或政府能出資。

「系統軟體很難由一家公司來做,因是為所有 RISC-V 公司服務,目前美國方面還沒有回應。我認為如果中國能有一些項目或資金投入,對於增強中國在 RISC-V 領域的發言權,以及研發中國的 CPU,都是很好的機會。」方之熙表示。

彈性才是 RISC-V 最大的競爭力

從構建中國自主可控的晶片的角度看,開源開放的 RISC-V 確實是不錯的選擇。那麼從技術角度看,RISC-V 的競爭力是價格、效能還是功耗?方之熙認為是彈性。RISC-V 是免費開源的指令集,包含基本指令集、可選擇指令集、用戶指令和特權指令。基本指令集是任何使用 RISC-V 的公司或個人都必須做到的,作業系統和軟體也建立在基本指令集上。可選指令集讓使用者選擇支援或不支援,用戶和特權指令集則可根據應用場景需求增加。

▲ RISC-V 的優勢。

可延伸指令集可能造成版本分裂問題,這也是 Arm 對 RISC-V 的質疑之一。方之熙表示:「開源的硬體和軟體確實要注意版本分裂,對 RISC-V,由於基本指令集必須達成,系統軟體也局限在基本指令集,因此透過必須做到的基本指令集和系統軟體,避免版本分裂。」

他進一步表示,正是因為 RISC-V 提供可拓展指令集,也讓 RISC-V 具備彈性,這一點非常重要。x86 和 Arm 的處理器都很好,但某家公司希望英特爾為 x86 處理器增加某些特徴時,英特爾幾乎不可能做到,即便增加特定功能,價格也隨之上漲。Arm 通用設計非常好,但許多 MCU 公司都用相同的核心,差距更多在 I/O 上,同質化很嚴重,最終就是拚價格。

還有不少人可能期待 RISC-V 的免授權費帶來的價格優勢,方之熙認為這並不會成為 RISC-V 最大的優勢,RISC-V 會將低階設計完全開源免費,Arm 也能把簡單設計開源免費供大家使用,想使用 RISC-V 的公司還是應該關注 RISC-V 可根據應用場景的差異化。

效能和功耗方面,由於沒有 x86 或 Arm 指令集背負的相容性包袱,從這個角度看 RISC-V 指令集對提升功耗和效能有很大的好處。但方之熙強調:「指令集與效能、功耗的關係不是太大,最主要的還是設計功力,一個團隊如果設計過幾次晶片,就會有較強功力,同樣的指令集架構就能設計出功耗和效能更好的處理器。」

RISC-V 的彈性在 AI 同樣能發揮作用。方之熙表示,AI 的資訊安全更重要,RISC-V 方案較靈活,更容易達成安全的效能。

RISC-V 的彈性將在四大領域展現優勢

既然彈性是 RISC-V 最重要的特徴,那這種彈性在哪些領域能體現出來?

方之熙認為,第一個領域是 IoT,這個市場本身也面臨版本分裂的問題,開發者可以開發 RISC-V 的用戶指令集,滿足從低功耗的可穿戴裝置到普通家電再到工控市場等的晶片。

第二個市場是專屬晶片,比如 WD 及 Nvidia 開發專屬的 RISC-V 控制器,可以加入新指令,不僅能降低功耗和提高效能,還能設計不同的安全機制和安全演算法。在中國,高鐵、電網等細分市場對專屬晶片也有很強的需求,還能滿足自主可控的要求。

第三個市場是資料中心市場,亞馬遜、Google、Facebook 都有自己的資料中心,但現在的資料中心處理器功耗是非常大的問題,由於這些公司在軟體不依賴其他公司,因此可根據需求及商業模式設計適合自己的 RISC-V 處理器。特別是在 AI 時代,不同的深度學習演算法對硬體架構的要求差距很大,這時候靈活的 RISC-V 處理器更能滿足要求。

第四個市場是邊緣計算市場,目前正快速發展,但業界廣泛看好。在邊緣計算市場,同樣有非常多的應用場景,比如智慧家庭、智慧交通、智慧大樓、智慧工業,這些應用對晶片的效能、功耗、安全性都有不同的要求,RISC-V 的彈性很能發揮作用。

值得注意的是,目前 RISC-V 的標準指令集裡還沒有安全指令,但可以用國際通用法,比如 TrustZone 做到安全機制。但 Arm 的經驗告訴我們,統一方法很容易被駭客發現問題或攻擊。因此 RISC-V 基金會討論多次,發現資訊安全在不同領域和不同國家很難統一,資訊安全委員會目前更傾向不在 RISC-V 加入統一安全指令,而是讓不同領域和地區自己確定安全指令。當然,這些安全指令互不重疊。

方之熙表示:「真正理解 RISC-V 的優點,好好利用 RISC-V 的彈性優勢,能根據應用需求,設計出差異化且合適的 RISC-V 晶片滿足市場需求,一定比 Arm 好,將來會成為這個領域的第一名。」

使用 RISC-V 需要拋棄短平快想法

今年 1 月中國大概有 60 多家公司想使用 RISC-V,但想設計 RISC-V CPU 的公司不到三分之一。方之熙也特別指出,RISC-V 雖然開源,但不像 Linux 和 Android 拿來就可以用,RISC-V 是指令集架構,想要用它還要做很多設計工作,這些工作不僅必要且辛苦,甚至比 Arm 的設計還要難。

「想做 RISC-V 的公司一定要拋棄短平快的想法,因為晶片和網路不一樣,不是更早把晶片推向市場就能占有市場。效能、可靠性、安全性更強,但推出時間晚一些同樣能占領市場,關鍵還是要沉下心認真研究應用需求,讓 RISC-V 晶片適應這個市場,讓用戶願意用。」方之熙表示。

▲ RISC-V 基金會成員數量。

另外,RISC-V 在全球有超過 235 個成員,加入基金會的中國公司只有 20 多間。方之熙表示,希望鼓勵和看到更多中國公司加入 RISC-V 基金會。他表示,加入 RISC-V 基金會每年的會費最低只要 5,000 美元,對一家公司而言不算很貴。加入基金會有很多好處,不僅能參加委員會各種活動,與不同背景、不同公司的人討論各種提案,也能加深對 RISC-V 的理解。RISC-V 基金會非常民主,討論新指令和標準時,如果中國公司不參與,有意見時當然也不會採納。

小結

RISC-V 為新開源指令集架構引發全球關注,去年 Arm 建網站攻擊 RISC-V 的行為表明 Arm 對新對手的擔心。採訪方之熙博士的過程中,他一直強調 RISC-V 彈性的優點。這很大程度證明了讓 Arm 真正焦慮的,是 RISC-V 的彈性,更能滿足未來市場的需求。基於 RISC-V 的彈性,能在 IoT、專屬晶片、資料中心、邊緣計算市場發揮效能、功耗、安全性等優勢。

當然,我們也要看到 RISC-V 的問題,比如版本分裂的風險,以及生態系統的建設還處於非常早期階段,想設計相對複雜的 RISC-V 晶片仍需要工具鏈支援。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖為 RISC-V 原型,來源:Derrick Coetzee (User:Dcoetzee) [CC0], via Wikimedia Commons

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