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

時(shí)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(gè)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(shí)代的需求，半導(dǎo)體行業(yè)也逐步進(jìn)入了“后摩爾時(shí)代”?！边@些年，我們目睹了開源對(duì)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(gè)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(shí)代的需求，半導(dǎo)體行業(yè)也逐步進(jìn)入了“后摩爾時(shí)代”。”
這些年，我們目睹了開源對(duì)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(huì)不會(huì)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(shí)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(shí)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(gè)。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(gè)計(jì)算平臺(tái)的過程，他也曾在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)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?，是核心基礎(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(gè)軟件生態(tài)，向下則規(guī)范了以處理器芯片為代表的整個(gè)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)?！?/span>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(shí)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(dòng)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(shí)產(chǎn)權(quán)問題。于是該研究團(tuán)隊(duì)用了3個(gè)月的時(shí)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(huì)成立，RISC-V以基金會(huì)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(huì)成員近1000多名遍布全球70多個(gè)國家。為了進(jìn)一步保持中立性，2020年3月RISC-V基金會(huì)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(huì)。賽昉科技聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO徐滔對(duì)《中國電子報(bào)》記者表示：“RISC-V的典型優(yōu)勢(shì)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(shí)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(tái)，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(shì)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(shí)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(gè)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(dòng)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(shí)代、PC時(shí)代、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，到今天的智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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。”趙琛表示。

方之熙曾表示，芯片產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有兩個(gè)重要定律，除了大家熟悉的摩爾定律外，貝爾定理相對(duì)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(tái)，運(yùn)算平臺(tái)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(tái)技術(shù)會(huì)發(fā)生一次重大演進(jìn)，運(yùn)算芯片的系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)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(tái)、網(wǎng)絡(luò)接口和用戶界面，會(huì)帶來新的用戶體驗(yàn)和新的商業(yè)機(jī)會(huì)。

“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(huì)發(fā)展得很好。但是任何生態(tài)都是需要時(shí)間，RISC-V的生態(tài)依舊有待完善，需要時(shí)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(shí)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(gè)平臺(tái)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(gè)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(duì)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(gè)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(tái)超級(jí)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(jí)甚至千萬級(jí)。

如果英特爾以20億美元對(duì)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(shí)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(huì)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(shì)。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(huì)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(shì)的影響下，各國各地的自主可控需求將會(huì)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是X86的PC互聯(lián)網(wǎng)10倍規(guī)模，堅(jiān)信移動(dòng)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(duì)記者表示。

對(duì)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(shí)代或許還會(huì)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(gè)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(huì)嵌入式分會(huì)副理事長何小慶在接受采訪時(shí)特別提及了不久前在上海舉辦的2021 RISC-V中國峰會(huì)的情況，超過1000多人的會(huì)場、數(shù)萬人線上觀看、100余場技術(shù)峰會(huì)，從一個(gè)維度看出RISC-V在中國的蓬勃態(tài)勢(shì)。

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(duì)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(duì)于RISC-V的重視程度也不夠，在RISC -V基金會(huì)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(duì)《中國電子報(bào)》記者表示，或許RISC-V留給中國的機(jī)會(huì)窗口時(shí)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(gè)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(tái)。同時(shí)要重視知識(shí)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(huì)的董事會(huì)的人還是蠻多的，但在標(biāo)準(zhǔn)層面參與推動(dòng)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(huì)的各個(gè)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(huì)的各個(gè)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(duì)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(gè)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(huì)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(huì)標(biāo)準(zhǔn)工作組工作的不夠，希望中國企業(yè)和個(gè)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(dòng)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(gè)體系化的思路，一種迭代的思路，而且開源基金會(huì)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?！眲⒚髡f。

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(gè)大有建樹的應(yīng)用場景。“RISC-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(gè)領(lǐng)域都對(duì)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(duì)于迭代速度有很高的要求?！白T章熹說。

對(duì)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)?；膽?yīng)用。

對(duì)于目前RISC-V創(chuàng)業(yè)企業(yè)都相對(duì)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(shí)到機(jī)會(huì)，率先行動(dòng)，未來的芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大動(dòng)力，一定會(huì)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(gè)變局機(jī)會(huì)。

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(shí)。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(gè)角度全面布局推動(dòng)RISC-V的發(fā)展。加大對(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)市場的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，得益于CPU OS，操作系統(tǒng)對(duì)于指令集能夠否成為成功起著關(guān)鍵重用。