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RISC-V带给中国CPU和芯片行业发展的历史性机遇

·2018-08-11 07:49·电子工程世界
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微处理器指令集架构(Instruction Set Architecture,ISA)是沟通软硬件运算之间的桥梁,是处理器的灵魂。包括复杂指令集运算(Complex Instruction Set Computing,CISC)、精简指令集运算(Reduced Instruction Set Computing,RISC)、显式并行指令集运算(Explicitly Parallel Instruction Computing,EPIC)、超长指令字指令集运算(Very Long Instruction Word,VLIW)四类。

由于ARM(RISC架构)和Intel(CISC架构)两大巨头的垄断地位、专利限制、高昂专利费,令行业用户越来越不堪重负;两大主流架构无论在技术上、知识产权上还是流程上都愈发臃肿、复杂和缓慢,也在一定程度上限制甚至阻碍了技术的进步和行业的发展。
 

主流的微处理器指令集架构RISC和CISC的对比


6月底arm建立了riscv-basics.com 的网站,以“设计系统芯片之前需要考虑的五件事”为主题从从成本、生态系统、碎片化风险、安全性和设计保证方面攻击 RISC-V 攻击。不过RISC-V在7月9日也建立了arm-basics.com 的网站对arm进行反击。次日,也就是7月10日,arm关闭了攻击网站,并发表声明:“我们最初建立网页的目的是列出围绕RISC-V商业化产品需要考虑的关键因素,旨在为激烈的行业辩论提供信息。遗憾的是,结果与我们的初衷不同,这个页面与arm的协作文化不一致,所以我们已经将其删除。事实上,我们的许多员工也表示不喜欢这个网页。立即删除这个网页的是因为我们绝不希望给人一种攻击开源的印象,因为我们也是许多不同领域开源社区的支持者。”

arm与RISC-V的事件只是两个精简指令集竞争的一个缩影。顾名思义,RISC-V是RISC的第五个版本。RISC-V何以会引得arm如此紧张呢?

David Patterson教授和RISC指令集
David Andrew Patterson(1947年11月16日出生)是美国计算机先驱和学者,是美国科学院、工程院、艺术与科学学院三院院士。自1976年以来一直担任加州大学伯克利分校计算机科学教授,并在2016年退休后加入谷歌。他目前还是RISC-V基金会的董事会副主席。


Patterson以其对RISC处理器设计的开创性贡献而闻名,创造了RISC这一术语,并领导了Berkeley RISC项目。截至2018年,全球有99%的新芯片使用RISC架构。他还与Randy Katz一起领导RAID存储研究。

Patterson教授因在RISC领域的杰出成就,获得2017年度图灵奖(图灵奖是计算机领域的全球最高奖项,被誉为计算机界的诺贝尔奖)。

我们还是了解一下RISC指令集的情况。RISC的发展可以追溯到1980年代。David Patterson教授是RISC指令集的发明人。1980年,他和学生David Ditzel在“The case for the reducedinstruction set computer”论文中创造了RISC一词。

1981年,在David Patterson的带领下,加州大学伯克利分校的一个研究团队起草了RISC-1,这就是今天RISC架构的基础。RISC-1原型芯片有44500个晶体管,拥有31条指令。包含78个32位寄存器,分为6个窗口,每个窗口包含14个寄存器,另外还有18个全局变量,寄存器占用大部分面积,控制和指令只占用芯片面积的6%,而同时代的芯片设计里要占用约50%的面积。

随后在1983年发布了RISC-II原型芯片,包含138个寄存器,分为8个窗口,每个窗口有16个寄存器,另外还有10个全局变量,但是只有39000个晶体管。接着在1984年和1988年发布了RISC-III和RISC-IV。

而RISC的设计理念也催生了一系列新架构,包含了许多我们耳熟能详的名字,如学术上认为比较成功的DEC Alpha、被写入经典教科书的MIPS、绕过指令级并行度障碍,追求线程级并行的SUN SPARC、服务器的王者IBM Power、以及现在统治嵌入式市场的arm。

RISC-V的冲击
2010年,Patterson教授的研究团队准备启动一个新项目,需要设计CPU,因而要选择一种指令集。他们调研了包括arm、MIPS、SPARC、X86等多个指令集,发现它们不仅设计越来越复杂,而且还存在知识产权问题。

由于ARM、MIPS、SPARC、X86等处理器架构的复杂性和相关知识产权的限制,Patterson教授决定和团队一起发明一种全新的指令集架构,可以被任何学术机构或商业组织自由使用。

于是临时组建一个四人小组,从零开始设计一套全新的指令,四人小组包括David Patterson、Krste Asanovic两位教授与Andrew Waterman、Yunsup Lee两个博士生集!

这个项目的目标是新指令集能满足从微控制器到超级计算机等各种尺寸的处理器,能支持从FPGA到ASIC到未来器件等各种实现,能高效地实现各种微结构,能支持大量的定制与加速功能,能和现有软件栈与编程语言很好的适配,最重要的一点就是要稳定——不会改变,不会消失。

四人小组用了3个月时间完成了RISC-V指令集的初始设计开发,之后于2011年5月第一次公开标准。2014年,RISC-V的第一批标准定型。其间,随着标准的发布和改进,进行了多次流片验证。

RISC-V(第五代精简指令集)是David Patterson教授基于其30多年在精简指令集RISC领域的深入积累,在2010年到2014年期间带领团队研发出的最新一代CPU芯片设计指令集。RISC-V是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA),RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源、设计简单、易于移植Linix系统,采用模块化设计,拥有完整工具链。

RISC-V虽然不是第一个开源的的指令集(ISA),但它很重要,因为这是第一个被设计成可以根据具体场景可以选择适合的指令集的指令集架构。基于RISC-V指令集架构可以设计服务器CPU,家用电器CPU,工控CPU和传感器CPU。

作为一个开源的指令集架构,RISC-V让用户有机会避免Intel x86知识产权体系的锁定和ARM高昂的芯片特许使用费,这使得全球芯片行业的企业都对RISC-V报以极大的关注和兴趣。

Patterson教授和团队于2015年成立了RISC-V基金会以推动RISC-V架构的运用和发展。

基金会吸引了全世界150多家企业和科研机构的加入,包括Google、IBM、三星、高通、西部数据、英伟达、微软、惠普等国际巨头,也包括中天微、中兴微、华为、阿里、中科院计算所、高云等下多家中国单会员,形成了RISC-V生态圈。

目前已经获得了众多业界巨头的支持,例如英伟达表示在配合GPU使用的底层微控制器中使用RISC-V设计;西部数据宣布未来几年将用RISC-V芯片取代其目前使用的全部处理器芯片;美高森美发布全球第一个支持RISC-V开放指令集体系架构;特斯拉近期已加入RISC-V基金会,准备在新款芯片中使用RISC-V架构。

业界人士表示,众多巨头宣布采用RISC-V,得益于RISC-V的五大优势:
1、极简。RISC-V凭借技术上的后发优势,拥有精简的篇幅长度,比起冗长、指令繁多、互不兼容的传统商业架构,优势十分明显。

2、干净。RISC-V清晰区分了用户和特权指令子集,避免了对特殊微架构和特殊工艺的要求,因此具有普适性,可显著降低成本。

3、模块化。RISC-V的指令分为核心基础指令集和标准可扩展指令子集。基础指令集很小,但是可以根据用户需求去加载扩展集,后者确保了指令能够应用于不同场景。

4、可扩展。充分考虑了芯片设计的可扩展性和专用性需求,具有变长指令编码,并预留了大量的可用编码空间,使得未来指令扩展方便可行。

5、稳定。经过若干年的迭代,基准指令和一些标准可扩展指令已经确定,新功能的实现只需增加扩展子集,而无需发布整个指令集的新版本。

由于RISC-V使用BSD License开源协议,指令集彻底开放,给予使用者很大自由,允许使用者修改和重新发布开源代码,也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。这样吸引了一批创业公司的进入。RISC-V最初的开发者之一Krste Asanovic教授创办SiFive推出全球首款基于开源指令集RISC-V架构的商用SoC Freedom E310-G000和开发板HiFive1;Patterson的弟子谭章熹创立OURS,基于RISC-V架构开发物联网处理器和神经网络加速系统级芯片;法国Greenwave 正使用RISC-V架构为低功耗设备开发人工智能芯片;Esperanto也瞄准人工智能应用,希望能集成4000个RISC-V处理器,展开并行计算。

据业界人士表示,由于ARM高昂的芯片特许使用费,正在逐渐把谷歌(Google)、高通(Qualcomm)、三星(Samsung)等众多高科技公司推到了同一条战线上。巨头们正在试图开发新的开源芯片设计,为智能驾驶、AI等新兴技术提供一种成本更低的芯片。


RISC-V带给中国CPU和芯片行业发展的历史性机遇
面对汹涌而至的RISC-V,有业界人士表示,RISC-V技术过去若干年的出现和发展,为中国芯片行业的发展提供了历史性机遇。中国过去数十年在芯片发展领域遭遇到了知识产权受限、生态体系缺失、研发成本高昂、市场需求复杂等诸多挑战,使得发展成效总是不尽人意、难以突破。RISC-V技术的出现,为突破上述四个方面的难关,提供了坚实的技术基础和绝佳的发展时机。

第一,开源开放突破知识产权壁垒。RISC-V的开源特性将有助于中国突破长期以来处理器芯片领域的知识产权限制。在过去几十年时间里,中国一直努力在芯片领域、尤其是复杂处理器芯片领域巨额投入、谋求突破,然而收效甚微。

究其原因,首先就是国外诸如Intel、ARM等巨头经过几十年的技术发展,建立了极为严苛的知识产权保护体系。我中国如果使用现有的x86或ARM技术,就无法绕过其知识产权限制。从Intel手上根本不可能获得x86授权。ARM虽然给出授权的公司多一些,但授权费也异常昂贵,且谈判流程极其复杂冗长,亟待发展的小微初创企业根本无法承受。

其次,Intel、ARM这些巨头公司也不可能对中国企事业单位授权其最核心的芯片设计技术和知识产权,而是以此控制中国技术发展、阻碍中国科研体系进步。而RISC-V采用了最为灵活的BSD开源协议,将RISC-V彻底开放,BSD开源协议极其适合中国国情,与中国秉持的开放共享、互利共赢的发展理念完美贴合,使中国相关行业能够从根本上规避国际传统芯片巨头树立的知识产权壁垒、高昂的特许使用费乃至政治因素带来的风险,更能有助于相关行业产业化的蓬勃发展。

第二,流片验证确保体系完整。RISC-V指令集已经经过了全球范围内多次流片验证,确保了芯片从设计、样片到量产全体系的完整有效。

众所周知,芯片研制除了指令集作为核心技术之一,还需要一个庞大而复杂的生态,涉及上下游软硬件的诸多环节。指令集除了具备卓越的技术特点,还需要能够制定统一的标准规范,由生态系统中的企业一致遵守;更需要足够开放包容、面向足够广的市场,令生态中的参与者能通过对接丰富的客户资源获得经济效益。

中国在历史上也曾尝试研发完全自主的指令集,然而未能成功实现。究其原因,除了科研实力尚不成熟,更主要的原因就是局限于一国之中的指令集,无法吸引上下游企业的协同参与,无法推动整个生态的积极发展,从而失去了生存的根基。

而RISC-V指令集在过去几年的发展中,已经经历了上百次不同商业公司和研发机构的流片验证,已经证明生态具备完整支持的能力。此外,RISC-V基金会中Google、三星、高通等等国际大型公司的参与,也使其生态体系不断成熟壮大。采用RISC-V技术,将使得中国能够专注于处理器技术的发展,而无需担忧生态体系的完整有效。

第三,精简指令降低研发成本。RISC-V极为精简的技术优势能够大大降低芯片研发周期和研发成本。

x86与ARM架构的发展过程伴随了现代处理器架构技术过去几十年的不断发展成熟。作为商业企业,为了能够保持架构的向后兼容性,架构不得不保留许多过时的定义,导致其指令数目多,指令冗余严重,文档数量庞大,x86和ARM的架构文档都有上千页。所以在这些架构上开发新的操作系统或者直接开发应用,技术门槛很高,研发过程复杂,往往需要经过反复验证修改才能成型,极大增加了研发周期和成本。

相比之下,RISC-V架构作为2014年才定型的最新标准技术,完全没有历史包袱,而是能够从过往各种指令集的发展演变历史中汲取了大量经验教训,借助计算机体系结构经过多年的发展已经成为比较成熟技术的优势,从轻上路。RISC-V基础指令集则只有40多条,加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。 RISC-V的规范文档仅有145页,而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。

这意味着使用RISC-V架构进行芯片设计的工程师们能更容易上手、更快进行开发验证,大为缩短芯片的研发周期、降低成本。在中国,各个行业和领域都对芯片有着大量的需求,唯有成本更低、迭代更快的RISC-V技术才能满足这些需求、支撑中国芯片产业的快速发展。

第四,扩展模块满足不同应用场景需求。由于RISC-V具有与众不同的模块化架构,能够灵活搭配,可以满足各类应用场景对处理器芯片的不同要求。

RISC-V架构相比其他成熟的商业架构的一个最大不同,在于它是一个模块化的架构。其不同模块能以非常灵活多变的方式组织在一起,从而可以通过一套统一的架构满足各种不同的应用。

这种模块化特性是传统的x86与ARM架构不具备的。例如,ARM的架构分为A、R和M三个系列,分别针对于应用操作系统(Application)、实时(Real-Time)和嵌入式(Embedded)三个领域,彼此之间并不兼容。在出现交叉领域的复杂应用时,这样的不兼容性会增加开发工作量,并降低芯片和系统的性能。

相比之下,模块化的RISC-V架构能够使得用户根据具体场景需求灵活选择不同的模块组合,既可以实现低功耗小面积的数据采集功能,又能够实现高性能运算量大的应用操作系统场景,更能保证不同场景共同部分的相互兼容。

这意味着,针对中国目前庞大复杂的不同芯片应用需求,在物联网、云计算、人工智能、大数据、辅助及自动驾驶等诸多定制化的工业、民用等领域,RISC-V都能够提供灵活高效并且相互兼容的解决方案。

第五,定义安全自主可控芯片。因RISC-V的扩充弹性优势,中国有机会定义自已的安全和其他扩充指令集。

中国在最近一二十年随着半导体产业的成长,特别是各类CPU项目的开展,积累了具有CPU设计和实现能力的人材。如可顺势推动RISC-V这个快速成长的开放指令集和这些人才有机相结合,可将原有大量的人材和经验积累投注到产业上落地,产生良性循环,加速中国半导体产业发展。

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