探尋后摩爾時代 | RISC-V：有望改變未來芯片產(chǎn)業(yè)格局

時間：2021-11-05 13:57:22

關(guān)鍵字： RISC-V 芯片產(chǎn)業(yè)

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[導(dǎo)讀]“編者按：過去的半個多世紀(jì)，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循摩爾定律的軌跡高速發(fā)展，如今單純靠提升工藝來提升芯片性能的方法已經(jīng)無法充分滿足時代的需求，半導(dǎo)體行業(yè)也逐步進(jìn)入了“后摩爾時代”?！边@些年，我們目睹了開源對于軟件產(chǎn)業(yè)帶來的巨大變革，中國科學(xué)院院士梅宏說：“目前幾乎沒有不涉及、不從開源中...

“編者按：過去的半個多世紀(jì)，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循摩爾定律的軌跡高速發(fā)展，如今單純靠提升工藝來提升芯片性能的方法已經(jīng)無法充分滿足時代的需求，半導(dǎo)體行業(yè)也逐步進(jìn)入了“后摩爾時代”。”
這些年，我們目睹了開源對于軟件產(chǎn)業(yè)帶來的巨大變革，中國科學(xué)院院士梅宏說：“目前幾乎沒有不涉及、不從開源中獲益的軟件?！焙罄m(xù)，開源之火會不會徹徹底底改變未來芯片產(chǎn)業(yè)呢？答案正在變得清晰。

目前開源指令集架構(gòu)RISC-V正贏得越來越多的支持者，成為后摩爾時代深刻影響芯片產(chǎn)業(yè)的重要變量。就像芯來科技創(chuàng)始人兼CEO胡振波在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時所言：“以RISC-V為代表的開放架構(gòu)指令集熱潮，在世界范圍內(nèi)以一種領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的形式，為處理器領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的生態(tài)帶來了前所未有的良機(jī)?！?/span>

賽迪顧問預(yù)測，到2025年全球市場將需要192億顆RISC-V CPU內(nèi)核。而Semico Research預(yù)測更為樂觀，預(yù)計(jì)到2025年，基于RISC-V架構(gòu)的CPU出貨量將超過600億個。投資機(jī)構(gòu)ARK Invest預(yù)測，到2030年Arm和RISC-V可能成為新的處理器標(biāo)準(zhǔn)，在云業(yè)務(wù)領(lǐng)域取代英特爾x86架構(gòu)，Arm RISC-V的組合將占據(jù)服務(wù)器市場份額的71％。

RISC-V顛覆x86與Arm模式

在創(chuàng)立芯來科技之前，胡振波在Synopsys（新思科技）和Marvell（美滿電子科技）等公司任職，有8年CPU和超過10年的ASIC設(shè)計(jì)與驗(yàn)證經(jīng)歷，除了技術(shù)上的積累，胡振波說這些年最大的心得是做CPU其實(shí)不是技術(shù)的問題而是生態(tài)的問題。因?yàn)榧夹g(shù)的問題通過努力可以彌補(bǔ)，但是生態(tài)的問題，在x86等封閉架構(gòu)下，其他芯片從業(yè)者要想做CPU，基本上是入無人絕境。前英特爾公司副總裁、首任英特爾中國研究院院長方之熙在英特爾（美國）任職二十余年，經(jīng)歷了芯片產(chǎn)業(yè)跨越三個計(jì)算平臺的過程，他也曾在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時表達(dá)了這樣的觀點(diǎn)：“做芯片不僅僅是技術(shù)的問題，最難的其實(shí)是商業(yè)、是生態(tài)的問題?！?/span>

談及CPU與計(jì)算生態(tài)，就需要談及CPU指令集?！疤幚砥髦噶罴擒浻布慕涌冢呛诵幕A(chǔ)軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的基石?！敝袊茖W(xué)院計(jì)算所研究員包云崗此前表示，指令集的重要性體現(xiàn)在生態(tài)建設(shè)，指令集向上承載的是整個軟件生態(tài)，向下則規(guī)范了以處理器芯片為代表的整個硬件生態(tài)。
“雖然指令集并非復(fù)雜的黑科技，但指令集的真正價(jià)值在于圍繞其建設(shè)的軟件生態(tài)和指令集的發(fā)展權(quán)。”胡振波說。
“軟件與硬件一起才能形成計(jì)算產(chǎn)業(yè)，而指令集是軟件與硬件交互的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。”中國科學(xué)院軟件所所長趙琛在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時說。
在RISC-V誕生之前，市場上主要有Arm、MIPS、SPARC、x86等指令集。
其中x86指令集由英特爾在1978年推出；MIPS于1981年出現(xiàn)，由MIPS科技公司開發(fā)并授權(quán)；Arm則由Arm公司推出，目前全世界超過95%的智能手機(jī)和平板電腦采用Arm架構(gòu)。
2010年，加州大學(xué)伯克利分校的一研究團(tuán)隊(duì)啟動新項(xiàng)目，需選擇一種處理器指令集，在分析了Arm、MIPS、X86等指令集后，發(fā)現(xiàn)它們不僅設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且存在知識產(chǎn)權(quán)問題。于是該研究團(tuán)隊(duì)用了3個月的時間，設(shè)計(jì)出一套全新的指令集，能滿足各種尺寸的處理器，支持從FPGA到ASIC到未來器件等各種實(shí)現(xiàn)，能支持大量的定制與加速功能，能和現(xiàn)有軟件棧與編程語言很好適配，而且很穩(wěn)定。其后該團(tuán)隊(duì)將新的指令集命名為RISC-V，并將指令集徹底開放，使用BSD License開源協(xié)議。
2015年RISC-V基金會成立，RISC-V以基金會方式運(yùn)作，吸引了大量廠商加盟，包括高通、英偉達(dá)、NXP、三星、Microsemi、美光、華為海思、聯(lián)發(fā)科、谷歌、IBM、西數(shù)、希捷、Mentor Graphics、Express Logic等，RISC-V在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，目前RISC-V基金會成員近1000多名遍布全球70多個國家。為了進(jìn)一步保持中立性，2020年3月RISC-V基金會將總部遷到瑞士。
RISC-V開源模式改變了傳統(tǒng)的封閉性X86和授權(quán)模式的ARM的模式，為半導(dǎo)體行業(yè)帶來經(jīng)營模式和架構(gòu)創(chuàng)新的新機(jī)會。賽昉科技聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO徐滔對《中國電子報(bào)》記者表示：“RISC-V的典型優(yōu)勢是低成本、模塊化和定制化。RISC-V指令集的開源特性使用戶可以免費(fèi)開發(fā)自己的處理器，讓芯片設(shè)計(jì)更平民化，降低芯片設(shè)計(jì)的門檻，讓更多的人和公司能擁有自主的芯片。其開源特性一方面大大降低了成本，因?yàn)榭梢悦赓M(fèi)使用指令集；另一方面允許任何用戶自由修改，從而能滿足量身定制的需求?！?/span>
除了降低成本，可以復(fù)用IP、縮短開發(fā)時間外，趙琛認(rèn)為RISC-V開源指令集的好處還在于帶來了強(qiáng)勁的創(chuàng)新力，實(shí)現(xiàn)大眾化、持續(xù)化的創(chuàng)新演進(jìn)，開源軟件的蓬勃發(fā)展就是最好的例證。
RISC-V作為開源的架構(gòu)，其商業(yè)模式顛覆了x86/Arm的做法，其模塊化架構(gòu)給DSA提供了創(chuàng)新平臺，給予業(yè)界創(chuàng)新的自由，具有頑強(qiáng)的生命力。
最近有媒體爆出英特爾或?qū)⒁?0億美元收購RISC-V創(chuàng)業(yè)公司SiFive的消息，這意味著RISC-V的燎原之勢已經(jīng)讓芯片巨頭關(guān)注到它的重要性。

能否三分天下還待時日

也有觀點(diǎn)稱RISC-V誕生已十年之久，看起來前景美好，但到目前為止，基于RISC-V的創(chuàng)業(yè)還沒有出現(xiàn)比較有影響力的半導(dǎo)體企業(yè)，而大企業(yè)雖然支持RISC-V但也僅僅是將其作為備份來發(fā)展。

“RISC-V大發(fā)展需要一個契機(jī)，需要等待新計(jì)算模式的確立。事實(shí)上包括X86、Arm都經(jīng)超過三四十年的等待，才迎來了x-86在服務(wù)器市場、Arm在移動市場成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn) ‘一統(tǒng)江湖’的這一天。計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展從主機(jī)時代、PC時代、互聯(lián)網(wǎng)時代、移動互聯(lián)網(wǎng)時代，到今天的智能物聯(lián)網(wǎng)時代不斷演進(jìn)，目前智能物聯(lián)網(wǎng)新計(jì)算模式并未完全確立?！壁w琛表示。

方之熙曾表示，芯片產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有兩個重要定律，除了大家熟悉的摩爾定律外，貝爾定理相對提及較少。貝爾定律提出，系統(tǒng)架構(gòu)（CPU OS）決定了運(yùn)算平臺，運(yùn)算平臺決定了應(yīng)用軟件生態(tài)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用市場增長的需求，每隔10～15年運(yùn)算平臺技術(shù)會發(fā)生一次重大演進(jìn)，運(yùn)算芯片的系統(tǒng)架構(gòu)會隨著應(yīng)用場景及商業(yè)模式的變化而發(fā)生一次重大變革，伴隨著其新的編程平臺、網(wǎng)絡(luò)接口和用戶界面，會帶來新的用戶體驗(yàn)和新的商業(yè)機(jī)會。

“RISC-V發(fā)展最大的挑戰(zhàn)是生態(tài)！生態(tài)！生態(tài)！” 徐滔表示，RISC-V流行是因?yàn)闃I(yè)界相信RISC-V生態(tài)會發(fā)展得很好。但是任何生態(tài)都是需要時間，RISC-V的生態(tài)依舊有待完善，需要時間和過程來培養(yǎng)開發(fā)者，適配應(yīng)用，開發(fā)更多的應(yīng)用。RISC-V的發(fā)展必須通過IP-先驅(qū)芯片-開發(fā)版-生態(tài)發(fā)展-大量芯片的過程。RISC-V從出現(xiàn)到今天發(fā)展的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過X86/ARM當(dāng)年的速度?！靶袠I(yè)普遍認(rèn)為，RISC-V生態(tài)，三年時間完成了Arm生態(tài)10年的工作。” 徐滔說。

此前包云崗曾表示，經(jīng)歷十年發(fā)展，10歲的RISC-V也到了一個平臺期，缺少標(biāo)志性事件來展現(xiàn)RISC-V的能力上限。這涉及到多方面原因，其中很重要的一個原因是RISC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)化工作在過去幾年推進(jìn)相對緩慢了。另外需要一些標(biāo)志性的事件來展示RISC-V的上限，給業(yè)界以信心，這些標(biāo)志性的事件可以是商業(yè)上出現(xiàn)一個數(shù)億美元的投資案例，也包括從技術(shù)層出現(xiàn)三種標(biāo)桿事件：

一是用RISC-V研制一臺超級計(jì)算機(jī)，進(jìn)入Top500前十，甚至更高的排名；

二是用RISC-V做服務(wù)器芯片，在一些頭部企業(yè)得到規(guī)模應(yīng)用，并呈現(xiàn)較好的效果；

三是用RISC-V做一款手機(jī)芯片，解決手機(jī)生態(tài)問題，實(shí)現(xiàn)發(fā)貨量達(dá)到百萬級甚至千萬級。

如果英特爾以20億美元對SiFive的收購能達(dá)成，那么這應(yīng)該稱得上是重要的標(biāo)志性事件。如果說RISC-V生態(tài)，三年時間已經(jīng)完成了ARM生態(tài)10年的工作，那么接下來RISC-V的發(fā)展應(yīng)該不需要經(jīng)歷x86與Arm那樣的漫長等待。

不久前，中國工程院院士倪光南在2021RISC-V中國峰會上表示，未來RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一，從而在CPU領(lǐng)域形成Intel、Arm、RISC-V三分天下的格局。

胡振波認(rèn)為，未來，x86、Arm、RISC-V三者將長期并存，發(fā)揮各自不同的優(yōu)勢。從開放生態(tài)、參與公司的情況看，RISC-V未來占據(jù)應(yīng)用定義芯片的市場應(yīng)該是水到渠成的事，隨著最近幾年越來越多的廠商選擇RISC-V布局新產(chǎn)品，市場上將會出現(xiàn)各種標(biāo)志性事件來促成RISC-V的產(chǎn)業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)局面。特別是在國際形勢的影響下，各國各地的自主可控需求將會進(jìn)一步促進(jìn)開放架構(gòu)應(yīng)用的進(jìn)程。

“與其說三分天下，不如說三代天下！產(chǎn)業(yè)和市場空間不是簡單地瓜分和替代存量，而是要迭代和創(chuàng)造新經(jīng)濟(jì)生態(tài)的增量。歷史曾經(jīng)預(yù)測并驗(yàn)證了ARM的移動互聯(lián)網(wǎng)是X86的PC互聯(lián)網(wǎng)10倍規(guī)模，堅(jiān)信移動是新大陸并拿到船票者成長為新生態(tài)的巨頭、而固守PC網(wǎng)思維的舊霸主只能把守傳統(tǒng)X86數(shù)據(jù)中的的存量市場。未來AIoT市場將擁有更大的發(fā)展空間和全新的業(yè)態(tài)，新市場將是百倍以上的增長等待開創(chuàng)者，從封閉，到開放，到完全開源的架構(gòu)與生態(tài)將被證明是必然的選擇?！鼻迦A伯克利-帕特森RISC-V國際開源實(shí)驗(yàn)室開源生態(tài)負(fù)責(zé)人劉明對記者表示。

對于未來x86、Arm、RISC-V是否三分天下，賽迪顧問集成電路產(chǎn)業(yè)研究中心分析師李秧表達(dá)了不一樣的觀點(diǎn)：“盡管我們很看好RISC-V的未來，但RISC-V能否形成一些高性能的產(chǎn)品，形成自己強(qiáng)有力的生態(tài)，依然是可遇而不可求的，充滿不確定性的?！崩钛碚J(rèn)為，后摩爾時代或許還會有一種全新的、一種新型的、一種開源的、更精簡指令架構(gòu)出現(xiàn)，代替RISC-V成為崛起新星，也有可能，所以未來這個是不是這三足鼎立不確定。

中國應(yīng)以生態(tài)方式全鏈條推進(jìn)

如果RISC-V能夠三分天下，那么中國應(yīng)該如何布局。談及目前中國RISC-V的發(fā)展，中國軟件行業(yè)協(xié)會嵌入式分會副理事長何小慶在接受采訪時特別提及了不久前在上海舉辦的2021 RISC-V中國峰會的情況，超過1000多人的會場、數(shù)萬人線上觀看、100余場技術(shù)峰會，從一個維度看出RISC-V在中國的蓬勃態(tài)勢。

不過業(yè)界也有觀點(diǎn)認(rèn)為，目前中國RISC-V創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)都相對小而分散，幾家大公司雖然支持RISC-V但也僅僅是將其作為備份來發(fā)展，中國對于RISC-V的重視程度也不夠，在RISC -V基金會的參與度不高。在傳出英特爾或?qū)⑹召廠iFive消息后，業(yè)內(nèi)資深人士曾對《中國電子報(bào)》記者表示，或許RISC-V留給中國的機(jī)會窗口時間并不長，中國應(yīng)該集中力量加快RISC-V企業(yè)的做強(qiáng)。

胡振波認(rèn)為應(yīng)該高度重視RISC-V這個指令集，國家從整體布局和頂層設(shè)計(jì)上，要繼續(xù)加強(qiáng)政策支持，有步驟、分階段地落實(shí)推進(jìn)，從特殊專用市場到大眾市場進(jìn)行應(yīng)用實(shí)施，逐步打造開放架構(gòu)處理器IP共性技術(shù)平臺。同時要重視知識產(chǎn)權(quán)布局，避免在新生態(tài)形成后缺失關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵專利，布局標(biāo)準(zhǔn)必要專利，協(xié)同重點(diǎn)企業(yè)打通關(guān)鍵技術(shù)突破通道。

睿思芯科公司創(chuàng)始人譚章熹博士是加州大學(xué)伯克利分校RISC-V的原創(chuàng)項(xiàng)目組主力成員之一，他向記者透露，其實(shí)中國人、華人在RISC-V基金會的董事會的人還是蠻多的，但在標(biāo)準(zhǔn)層面參與推動的并不多，“聽者眾，有發(fā)言權(quán)的不多”，因?yàn)殚_源社區(qū)的話語權(quán)與貢獻(xiàn)率成正比，沒有貢獻(xiàn)就沒有話語權(quán)。

趙琛進(jìn)一步表示，中國企業(yè)與機(jī)構(gòu)應(yīng)該積極參與到基金會的各個層次中，雖然說在開源世界是話語權(quán)取決于貢獻(xiàn)率，但如果不積極參與基金會的各個層次中，最后貢獻(xiàn)率也并一定能夠影響話語權(quán)。軟件開源的運(yùn)作的機(jī)制相對成熟，而在芯片、指令集、硬件領(lǐng)域的開源剛剛開始，目前這個領(lǐng)域的運(yùn)作機(jī)制并未完全成熟，越是早期越需要更深層次的介入。在深度參與RISC-V基金會和標(biāo)準(zhǔn)制定上，何小慶表達(dá)了與趙琛相同的觀點(diǎn)，目前中國企業(yè)參與基金會標(biāo)準(zhǔn)工作組工作的不夠，希望中國企業(yè)和個人積極投身開源指令集架構(gòu)基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展，更多參與和共享才能夠影響risc-v技術(shù)線路和生態(tài)環(huán)境，贏得更多話語權(quán)。

“參與和推動RISC-V標(biāo)準(zhǔn)制定，需要發(fā)揮集體的力量，開展廣泛的國際化合作，保證RISC-V生態(tài)的統(tǒng)一和完整。”徐滔說。

“開源并不意味自己做好的東西扔到社區(qū)里就叫開源，它是一個體系化的思路，一種迭代的思路，而且開源基金會的標(biāo)準(zhǔn)也并是固化的，它是不斷更新、不斷迭代的，所以我們必須要在這樣的大框架下有大量自己的原始創(chuàng)新。”劉明說。

談及推進(jìn)RISC-V的原始創(chuàng)新方向，譚章熹認(rèn)為，中國企業(yè)應(yīng)該往高端化方向走，在高端路線上數(shù)據(jù)中心和新能源汽車是兩個大有建樹的應(yīng)用場景?！癛ISC-V的生命力在于差異化、快速迭代，便于新東西落地，而這兩個領(lǐng)域都對算力和差異化有巨大訴求。數(shù)據(jù)中心每三年更新一次，對于迭代速度有很高的要求?！白T章熹說。

對于中國企業(yè)的高端化路線，李秧表達(dá)了同樣觀點(diǎn)，他認(rèn)為中國企業(yè)要發(fā)展高性能的RISC-V芯片，而且要在市場上得到規(guī)模化的應(yīng)用。

對于目前RISC-V創(chuàng)業(yè)企業(yè)都相對比較小而散的問題，譚章熹認(rèn)，小企業(yè)更敢于創(chuàng)新，事實(shí)上在硅谷很多產(chǎn)業(yè)包括GPU的發(fā)展都是從小而散的“一地雞毛“開始，最后大浪淘沙，適者生存，活下來的長成參天大樹，這是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律。產(chǎn)業(yè)大的更迭往往是小企業(yè)首先意識到機(jī)會，率先行動，未來的芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大動力，一定會是來自開源，而正在興起的開源芯片、開源硬件將給中國做芯片帶來一個變局機(jī)會。

在采訪中，幾位受訪人都談及了教育與生態(tài)的問題，目前中國不缺資金、不缺應(yīng)用場景，但是缺乏耐心、缺乏全棧的芯片人才，缺乏全線生態(tài)的意識。國家重視要把錢投到教育上。

徐滔認(rèn)為，RISC-V給中國在處理器核心技術(shù)上提供了突破口，應(yīng)該從資金、政策、科研、教學(xué)等各個角度全面布局推動RISC-V的發(fā)展。加大對教育科研機(jī)構(gòu)的支持力度，支持基于RISC-V的大學(xué)教育與研究，包括軟硬件以及應(yīng)用的開發(fā)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)提供新鮮血液；進(jìn)行廣泛的生態(tài)鏈布局，推動軟件在RISC-V的適配，包括RISC- V基礎(chǔ)軟件、操作系統(tǒng)、中間件以及應(yīng)用軟件。

趙琛認(rèn)為，我們需要加大對于RISC-V軟件生態(tài)構(gòu)建的關(guān)注，X86與Arm能夠成為PC、服務(wù)器與移動市場的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，得益于CPU OS，操作系統(tǒng)對于指令集能夠否成為成功起著關(guān)鍵重用。