RISC-V相比Arm更適合物聯(lián)網(wǎng)和AI？

RISC-V指令集從2014年正式發(fā)布第一版用戶手冊時(shí)面臨多方質(zhì)疑，到后來成為印度國家指令集，再到今年國內(nèi)發(fā)布首個(gè)RISC-V支持政策。經(jīng)過短短幾年時(shí)間，RISC-V不僅有政策的支持，企業(yè)和學(xué)術(shù)圈對這個(gè)開源指令集的關(guān)注度不斷提高，甚至讓Arm也感受到了壓力。隨著RISC-V商業(yè)落地的向前推進(jìn)，業(yè)界也充滿了期待，但是從指令集設(shè)計(jì)到最終的應(yīng)用，我們對RISC-V或許有些誤解。

3個(gè)月完成指令集設(shè)計(jì)只是個(gè)“玩笑”

RISC-V要從2010年說起，當(dāng)時(shí)加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備啟動(dòng)一個(gè)新項(xiàng)目，為新項(xiàng)目選架構(gòu)的時(shí)候研究團(tuán)隊(duì)看到了Arm、MIPS、SPARC和x86等，但這些指令集不僅越來越復(fù)雜，還有很多IP法律問題。所以伯克利研究團(tuán)隊(duì)臨時(shí)組建一個(gè)四人小組，開展了一個(gè)3個(gè)月的暑期小項(xiàng)目設(shè)計(jì)新的指令集，目標(biāo)是新的指令集能滿足從微控制器到超級計(jì)算機(jī)等各種尺寸的處理器。具體地說，RISC-V指令集架構(gòu)簡單、完全開源并且免費(fèi)，將基準(zhǔn)指令和擴(kuò)展指令分開，可以通過擴(kuò)展指令做定制化的模塊和擴(kuò)展。需要指出的是，RISC-V的基準(zhǔn)指令確定后將不會(huì)再有變化，這是RISC-V穩(wěn)定性的重要保障。

因此，在中國缺芯的大討論中，有觀點(diǎn)認(rèn)為伯克利分校3個(gè)月就能設(shè)計(jì)出一套全新的指令集，這表明指令集的設(shè)計(jì)并沒有那么難，更大的難點(diǎn)在于指令集生態(tài)的建設(shè)。但其實(shí)RISC-V從2010年開始到2014年才正式發(fā)布第一版用戶手冊，中間經(jīng)歷了4年。還有一點(diǎn)不容忽視，在RISC-V指令集架構(gòu)之前，伯克利分校已經(jīng)有了四代RISC指令集架構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，第一代RISC指令集早在1981年就已經(jīng)出現(xiàn)，因此指令集的開發(fā)簡單與否并不是那么容易得出結(jié)論。

David Patterson教授帶領(lǐng)研制的五代RISC處理器

至于RISC-V的生態(tài)建設(shè)，成立于2014年, 致力于在網(wǎng)絡(luò)邊緣端進(jìn)行智能邊緣計(jì)算的法國初創(chuàng)公司GreenWaves Technologies CEO Loic Lietar接受雷鋒網(wǎng)專訪對此發(fā)表了自己的看法。他表示：RISC-V作為后來者生態(tài)的建設(shè)正在快速發(fā)展，也正在快速成熟。從2015年非盈利性組織RISC-V基金會(huì)（RISC-V Foundation）成立，兩年內(nèi)已經(jīng)有150多個(gè)單位加入，包括谷歌、華為、英偉達(dá)、高通、麻省理工學(xué)院、普林頓大學(xué)、印度理工學(xué)院、中科院計(jì)算所等。

GreenWaves Technologies CEO Loic Lietar

RISC-V微處理器的兼容性不是問題

?RISC-V基金會(huì)（RISC-V Foundation）

隨著RISC-V生態(tài)的快速發(fā)展，許多人都擔(dān)心RISC-V的開放以及可擴(kuò)展性會(huì)出現(xiàn)碎片化以及兼容性的問題。Loic Lietar指出：“相比手機(jī)、PC以及一些高性能處理器，應(yīng)用于傳感設(shè)備的微控制器對生態(tài)的依賴性沒有那么高。從GreenWaves的角度看，我們的基于RISC-V的32位微控制器面向的主要是來自物聯(lián)網(wǎng)等終端市場的邊緣計(jì)算需求，一個(gè)設(shè)備將長時(shí)間重復(fù)運(yùn)行幾個(gè)應(yīng)用, 而并不會(huì)像手機(jī)或電腦一樣安裝和卸載不同的應(yīng)用程序，因此對軟件兼容性的依賴程度并不是個(gè)問題。同時(shí)，我們嵌入了基于RISC-V標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展指令集以獲得最佳的性能和能效，這是我們與其他競爭對手最不同的地方之一。另外，微控制器市場的生態(tài)很多是開源的，我們的處理器已經(jīng)移植了Arm Mbed OS、FreeRTOS，未來我們還將不斷移植，適應(yīng)終端在不同的生態(tài)圈的發(fā)展需求。我們還開發(fā)了一些專有工具可幫助軟件開發(fā)人員為我們的8核并行架構(gòu)自動(dòng)生成最優(yōu)化的軟件代碼。”

對于系統(tǒng)移植是否會(huì)影響處理器性能的疑問，Loic Lietar給出了否定的答案。他說：“比如在我們的GAP8微控制器架構(gòu)下，運(yùn)行的一般都是簡單的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。因?yàn)樵谖覀兊膽?yīng)用場景中，雖然設(shè)備需要完成的工作是高性能的，但從代碼量和重復(fù)性來看是相對簡單的，并不需要復(fù)雜的操作系統(tǒng)的支持。所以各種RTOS對性能的影響并不十分嚴(yán)重。”

除了軟件和OS，EDA工具的完善度也會(huì)影響RISC-V的發(fā)展，Loic Lietar對此表示，無論是我們現(xiàn)在已經(jīng)有的產(chǎn)品還是我們的下一代產(chǎn)品，現(xiàn)有的EDA工具都足以滿足我們的開發(fā)設(shè)計(jì)需求，目前也沒有因?yàn)槿鄙賀ISC-V的特殊工具出現(xiàn)問題。

由此可以看到，基于RISC-V的微控制器對生態(tài)的依賴程度確實(shí)還沒有那么高，那對于更高性能的RISC-V處理器又如何呢？

RISC-V只有物聯(lián)網(wǎng)邊緣端處理器？

RISC-V指令集設(shè)計(jì)的目標(biāo)是能夠滿足從微控制器到超級計(jì)算機(jī)各種尺寸處理器的需求，不過目前我們看到的更多的是RISC-V物聯(lián)網(wǎng)終端處理器。對此，Loic Lietar表示：“32位微控制器相對于高性能處理器, 在技術(shù)上與市場接受度上難度肯定是不一樣的。從32位處理器開始可以看作是一個(gè)由簡到難的過程，在我們參與的開源項(xiàng)目PULP（由意大利波隆納大學(xué)(Universities of Bologna)和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETF Zurich)共同成立的實(shí)驗(yàn)室，旨在研究超低功耗并行架構(gòu)），也是從最精簡的32位處理器開始設(shè)計(jì)，慢慢有了64位處理器，可以運(yùn)行Linux。RISC-V有一個(gè)比較好的基礎(chǔ)，可以提供32、64、128位指令集。指令集與內(nèi)核不同，能有更多的可能性，并且RISC-V指令集架構(gòu)可以針對各種不同的應(yīng)用，以標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行擴(kuò)展?！?/p>

他同時(shí)指出，RISC-V技術(shù)在不同市場的發(fā)展和落地，從32位處理器到128位處理器不同場景的應(yīng)用，在技術(shù)上并沒有太大問題，此時(shí)來自市場的需求將會(huì)對RISC-V的應(yīng)用方向起到主導(dǎo)作用。當(dāng)下人們更專注于，基于RISC-V現(xiàn)在能做什么，而非未來能做什么。

據(jù)雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))了解，GreenWaves的通用處理器GAP8定位在長期依賴電池的邊緣計(jì)算設(shè)備，旨在為智能城市，智能家居，智能工業(yè)和自主無人機(jī)等不同場景下工作的設(shè)備提供做超低功耗邊緣計(jì)算，智能邊緣計(jì)算的能力。

RISC-V相比Arm更適合物聯(lián)網(wǎng)和AI？

雖然在被問及Arm為何會(huì)在6月底建立網(wǎng)站以“設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片之前需要考慮的五件事”為主題從成本、生態(tài)系統(tǒng)、碎片化風(fēng)險(xiǎn)、安全性和設(shè)計(jì)保證方面攻擊RISC-V 時(shí)Loic Lietar表示自己也并不清楚，這個(gè)問題的答案Arm或許更清楚。但對于RISC-V是否更適合物聯(lián)網(wǎng)和AI的問題，他表示：“我們從一開始就看準(zhǔn)了物聯(lián)網(wǎng)市場，在2016年我們就在考慮如何讓物聯(lián)網(wǎng)更豐富，而不僅限于一些簡單的功能?！S富’代表著更豐富的信息來源，如圖像，聲音，震動(dòng)等。 如何能在電池驅(qū)動(dòng)的情況下，維持?jǐn)?shù)年對這樣‘豐富’信息的本地處理（即超低功耗邊緣計(jì)算）便成為了我們定下的研究與發(fā)展方向。為對應(yīng)于這樣的需求，我們需要更有針對性的架構(gòu)來滿足這一需求。RISC-V不僅為我們提供了一個(gè)龐大且快速發(fā)展的社區(qū)，而且還給予了我們對架構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新以達(dá)到極致能效的機(jī)會(huì)，無需購買昂貴的架構(gòu)許可證。 在RISC-V之前，這是不可實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

GreenWaves基于RISC-V處理器的開發(fā)板

因此，GreenWaves推出了針對物聯(lián)網(wǎng)市場的超低功耗應(yīng)用處理器，旨在邊緣端（傳感器端）依賴電池做長期的復(fù)雜運(yùn)算，如行人監(jiān)測，人臉檢測，語音關(guān)鍵字識別，震動(dòng)識別等等。 具體地說，GAP8可以用3.44mW來完成一次行人檢測，0.5mW完成一次人臉檢測, 也就是說，依靠一節(jié)普通電池，用間隔喚醒方式工作，我們可以維持?jǐn)?shù)年的邊緣AI工作。性能方面，在基于CNN圖像識別的圖像識別算法Cifar10中, GAP8相比STM32H7擁有著最小16倍最高75倍(使用硬件加速器)的能效優(yōu)勢。并且GAP8作為通用處理器不僅僅能運(yùn)行CNN算法，還有更大的彈性在端側(cè)進(jìn)行其他類型的復(fù)雜運(yùn)算。

Loic Lietar還認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)在邊緣計(jì)算上潛力巨大，但今天的這樣的需求主要受限于市場缺少能夠依賴電池做長時(shí)間邊緣計(jì)算的處理器。 隨著像GAP8這樣的產(chǎn)品的誕生，我們可以找到不同的應(yīng)用場景并進(jìn)一步擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)市場。

競爭中都能找到立足點(diǎn)

在Arm針對RISC-V提出的5個(gè)問題中，生態(tài)系統(tǒng)、碎片化以及設(shè)計(jì)保證的問題上文中都已經(jīng)有了明確的答案，還未提及的成本和安全性問題其實(shí)答案也非常明確?；陂_源組件的設(shè)計(jì)使GreenWaves能夠?qū)①Y源集中在其自我增值上，而不是開發(fā)或購買核心IP，這使他們在開發(fā)產(chǎn)品的時(shí)候成本可以大幅度降低，同時(shí)提升資本效率。

安全性方面，Loic Lietar表示GAP8具有支持安全啟動(dòng)和安全執(zhí)行的所有硬件功能。 在開源軟件世界中，我們已經(jīng)看到，設(shè)計(jì)的公開性對安全性具有非常積極的影響，因?yàn)槠浯a可供大量開發(fā)人員和研究人員查看、測試。市場已多次證明，隱藏起來的安全設(shè)計(jì)其實(shí)并不真正安全。

最后在談到競爭的時(shí)候，Loic Lietar表示：“我們真切地感受到了RISC-V市場的發(fā)展勢頭，我們也因此從中受益良多。在人工智能物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，我們的能效是與眾不同的，在我們從事邊緣人工智能研究超過3年的時(shí)間里，競爭才剛剛開始。我相信在物聯(lián)網(wǎng)的大市場中每個(gè)公司都可以找到自己的立足點(diǎn)。我們的產(chǎn)品已于2月上線，許多客戶都開始使用我們的開發(fā)板，第一批生產(chǎn)訂單將很可能來自中國。當(dāng)然，為了保持領(lǐng)先地位，我們的下一代產(chǎn)品已經(jīng)在開發(fā)中，它也將代表著我們在能源效率和計(jì)算能力方面向前邁出的又一大步?！?/p>

雷鋒網(wǎng)認(rèn)為，RISC-V指令集的開源給了全世界的廠商一個(gè)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)市場好機(jī)會(huì)，也能在一定程度上實(shí)現(xiàn)中國芯的自主程度，在政策、企業(yè)、研究所的共同推動(dòng)下，RISC-V正在迅速壯大，所以Arm感受到壓力并不讓人意外，但物聯(lián)網(wǎng)市場足夠大，無論是Arm還是RISC-V都能發(fā)揮其重要價(jià)值。只是在渴求中國芯的中國，RISC-V能發(fā)揮的作用讓人期待。