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RISC-V,能否帶來自主可控

中美科技戰(zhàn)是最近很熱的一個(gè)話題,在半導(dǎo)體行業(yè)更是討論的如火如荼。如何盡快開發(fā)出基于自主可控CPU架構(gòu)的芯片已經(jīng)成為每一個(gè)中國(guó)半導(dǎo)體業(yè)者的重要課題。

現(xiàn)在最熱門的就是RISC-V架構(gòu)了,是否基于RISC-V架構(gòu)的芯片就代表著自主可控,就代表著可以規(guī)避美國(guó)的出口管制,就可以建立起中國(guó)自己的生態(tài)系統(tǒng)?

對(duì)于芯片制造商而言,RISC-V特別具有吸引力的是開源。RISC-V指令集架構(gòu)(ISA)在本世紀(jì)初開始在加州大學(xué)伯克利分校開發(fā),可通過伯克利軟件分發(fā)(BSD)許可證獲得,它允許以最小的限制廣泛分發(fā)設(shè)計(jì)。這對(duì)于開發(fā)原型的初創(chuàng)公司來說尤其適用,但也適用于高度特定的應(yīng)用,如安全協(xié)處理器,因?yàn)樗脑创a可以調(diào)整。此外,它在中國(guó)等市場(chǎng)表現(xiàn)良好。在中國(guó),全國(guó)都在努力降低半導(dǎo)體貿(mào)易逆差,以及芯片的IP成本。

簡(jiǎn)單就是美——RISC-V架構(gòu)的設(shè)計(jì)哲學(xué)

RISC-V架構(gòu)作為一種指令集架構(gòu),在介紹細(xì)節(jié)之前,讓我們先了解設(shè)計(jì)的哲學(xué)。所謂設(shè)計(jì)的“哲學(xué)”便是其推崇的一種策略,譬如說我們熟知的日本車的設(shè)計(jì)哲學(xué)是經(jīng)濟(jì)省油,美國(guó)車的設(shè)計(jì)哲學(xué)是霸氣外漏等。RISC-V架構(gòu)的設(shè)計(jì)哲學(xué)是什么呢?是“大道至簡(jiǎn)”。

所謂大道至簡(jiǎn),在IC設(shè)計(jì)的實(shí)際工作中, 最簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)往往是最可靠的,在大多數(shù)的項(xiàng)目實(shí)踐中一次次的得到檢驗(yàn)。

IC設(shè)計(jì)的工作性質(zhì)非常特殊,其最終的產(chǎn)出是芯片,而一款芯片的設(shè)計(jì)和制造周期均很長(zhǎng),無法像軟件代碼那樣輕易的升級(jí)和打補(bǔ)丁,每一次芯片的改版到交付都需要幾個(gè)月的周期。不僅如此,芯片的一次制造成本費(fèi)用高昂,從幾十萬美金到百千萬美金不等。這些特性都決定了IC設(shè)計(jì)的試錯(cuò)成本極為高昂,因此能夠有效的降低錯(cuò)誤的發(fā)生就顯得非常的重要。

 RISC-V架構(gòu)在其文檔中不斷地明確強(qiáng)調(diào),其設(shè)計(jì)哲學(xué)是“大道至簡(jiǎn)”,力圖通過架構(gòu)的定義使得硬件的實(shí)現(xiàn)足夠簡(jiǎn)單。其簡(jiǎn)單就是美的哲學(xué),可以從幾個(gè)方面容易看出。

1、無病一身輕——架構(gòu)的篇幅

在處理器領(lǐng)域,目前主流的架構(gòu)為x86與ARM架構(gòu), 現(xiàn)代的x86與ARM架構(gòu)的架構(gòu)文檔長(zhǎng)達(dá)幾百數(shù)千頁(yè),且版本眾多,一個(gè)主要的原因是因?yàn)槠浼軜?gòu)的發(fā)展的過程也伴隨了現(xiàn)代處理器架構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟。

并且作為商用的架構(gòu),為了能夠保持架構(gòu)的向后兼容性,其不得不保留許多過時(shí)的定義,或者在定義新的架構(gòu)部分時(shí)為了能夠?qū)⒕鸵呀?jīng)存在的技術(shù)部分而顯得非常的別扭。久而久之就變得極為冗長(zhǎng)。

那么現(xiàn)代成熟的架構(gòu)是否能夠選擇重新開始,重新定義一個(gè)簡(jiǎn)潔的架構(gòu)呢,可以說是幾乎不可能。其中一個(gè)重要的原因便是其無法向前兼容,從而無法得到用戶的接受。試想一下如果我們買了一款新的搭配新的處理器的電腦或者手機(jī)回家,之前所有的軟件都無法運(yùn)行而變磚,那肯定是無法讓人接受的。

而現(xiàn)在才推出的RISC-V架構(gòu),則具備了后發(fā)優(yōu)勢(shì),由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù),多年來在不斷成熟的過程中暴露的問題都已經(jīng)被研究透徹,因此新的RISC-V架構(gòu)能夠加以規(guī)避,并且沒有背負(fù)向后兼容的歷史包袱,可以說是無病一身輕。

2、能屈能伸——模塊化的指令集

RISC-V架構(gòu)相比其他成熟的商業(yè)架構(gòu)的最大一個(gè)不同還在于它是一個(gè)模塊化的架構(gòu)。因此,RISC-V架構(gòu)不僅短小精悍,而且其不同的部分還能以模塊化的方式組織在一起,從而試圖通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用。

這種模塊化是x86與ARM架構(gòu)所不具備的。以ARM的架構(gòu)為例,ARM的架構(gòu)分為A、R和M三個(gè)系列,分別針對(duì)于Application(應(yīng)用操作系統(tǒng))、Real-Time(實(shí)時(shí))和Embedded(嵌入式)三個(gè)領(lǐng)域,彼此之間并不兼容。

但是模塊化的RISC-V架構(gòu)能夠使得用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合,以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景,可以說是“老少咸宜”。譬如針對(duì)于小面積低功耗嵌入式場(chǎng)景,用戶可以選擇RV32IC組合的指令集,僅使用Machine Mode(機(jī)器模式);而高性能應(yīng)用操作系統(tǒng)場(chǎng)景則可以選擇譬如RV32IMFDC的指令集,使用Machine Mode(機(jī)器模式)與User Mode(用戶模式)兩種模式。而他們共同的部分則可以相互兼容。

3、濃縮的都是精華——指令的數(shù)量

短小精悍的架構(gòu)以及模塊化的哲學(xué),使得RISC-V架構(gòu)的指令數(shù)目非常的簡(jiǎn)潔。基本的RISC-V指令數(shù)目?jī)H有40多條,加上其他的模塊化擴(kuò)展指令總共幾十條指令。

RISC-V最適合的領(lǐng)域

對(duì)于一些工程團(tuán)隊(duì)而言,使用基于RISC-V的處理器實(shí)現(xiàn)定制的承諾是很有吸引力的,許多人正在使用RISC-V來取代內(nèi)部的專用加速器,這樣他們就可以利用軟件生態(tài)系統(tǒng),因?yàn)镽ISC-V具有高度可擴(kuò)展性。這些加速器通常對(duì)用戶是隱藏的,而ARM內(nèi)核是暴露給軟件開發(fā)人員的。

Microsemi公司的Marena以Western Digital為例,說道:“他們想要一種特殊的總線和接口。對(duì)于他們的情況,則需要一些超出標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)的東西。處理器在很多方面都做得很好,但有些事情它們做得不太好。所以,當(dāng)你尋求特殊功能,想要下一級(jí)別的創(chuàng)新的時(shí)候,RISC-V便有了用武之地。”

在硬件安全方面也是如此。人們通常認(rèn)為開源硬件是更安全的,因?yàn)樗怯筛嗟娜藶楦嗟慕K端應(yīng)用開發(fā)的。

Rambus公司首席技術(shù)官M(fèi)artin Scott表示:“物聯(lián)網(wǎng)是非常危險(xiǎn)的生態(tài)系統(tǒng),需要保護(hù)。從芯片到云,以及中間的任何地方,都存在漏洞。設(shè)計(jì)中可能存在固有漏洞,這些漏洞連接到不安全的臨時(shí)全球網(wǎng)絡(luò)和軟件棧。有很多不同的流程(包括業(yè)務(wù)流程和安全流程)都需要管理,沒有中央機(jī)構(gòu)或中央標(biāo)準(zhǔn)。”

斯科特說,有一些實(shí)用的方法來處理硬件安全問題,例如使用安全層。但他補(bǔ)充說,開源的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于,人們能夠共享關(guān)于漏洞在何處出現(xiàn)以及如何解決這些漏洞的信息。“我們使用RISC-V的原因是,我們可以操作ISA以保證安全。這非常重要。微架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和架構(gòu)本身一樣重要,因?yàn)閺呐月饭舻慕嵌葋砜?,以不同方式完成的等效功能?shí)現(xiàn)可能會(huì)產(chǎn)生非常不同的安全問題?!?/span>

這正是RISC-V目前正在尋找用武之地的領(lǐng)域。ARM公司嵌入式和汽車戰(zhàn)略副總裁Tim Whitfield指出,器件正在向更異構(gòu)化的方向轉(zhuǎn)變,專用處理器也是如此。“通用的計(jì)算方式會(huì)變化嗎RISC-V圍繞該答案所做的創(chuàng)新是好的。專家們一直在深度嵌入式領(lǐng)域使用RISC-V,它正在取代執(zhí)行非常專業(yè)任務(wù)的專用內(nèi)核。這意義重大,因?yàn)槟憧梢造`活地操作架構(gòu),去做一些瑣碎的工作,構(gòu)建接口。這是目前RISC-V非常適合的地方?!?/span>

但UltraSoC首席執(zhí)行官Rupert Baines表示,考慮到企業(yè)在代碼、指令集和架構(gòu)方面的巨額投資,RISC-V還可能通過專有架構(gòu)獲得青睞?!傲硪粋€(gè)方面是臨界質(zhì)量,開發(fā)維持低于臨界點(diǎn)(critical mass)的東西可能非常昂貴。對(duì)于像英偉達(dá)這樣的公司,他們有自己完全定制的東西,現(xiàn)在他們已經(jīng)擁有了RISC-V。他們受益于所有的工具和編譯器,這仍然是他們自己的定制,但他們只是降低了開發(fā)成本,因?yàn)樗麄兛梢岳闷渌囊磺?。?/span>

Baines說,Andes和Codasip等其他公司正在提供基于RISC-V的內(nèi)核,并且保持其業(yè)務(wù)模式不變——它們授權(quán)使用內(nèi)核和開發(fā)環(huán)境,但由于他們使用通用ISA,所以它們可以利用世界其他地方的投資,達(dá)到臨界點(diǎn)(critical mass)。

基于RISC-V的處理器已經(jīng)與SoC中的ARM處理器并駕齊驅(qū),Whitfield希望這種情況能像其他架構(gòu)一樣繼續(xù)下去。“其他架構(gòu)已經(jīng)存在,并將永久存在,無論是提供了人們所需要的類似的架構(gòu)靈活性的Tensilica,還是RISC-V處理器。它們都與ARM應(yīng)用處理器和ARM嵌入式處理器共存。”

Davidmann 表示,實(shí)際上,大多數(shù)不只有一個(gè)核心的SoC往往擁有較大的多核應(yīng)用處理器(如Arm或MIPS)運(yùn)行主操作系統(tǒng),如Linux;周圍有較小的“minion”處理器(如Andes或其他RISC)運(yùn)行RTOS和其他內(nèi)核,或是裸機(jī),以加速應(yīng)用的性能。

Whitfield補(bǔ)充道:“你必須記住RISC-V是一個(gè)架構(gòu),到頭來就是一張紙。Andes、Codasip,以及其他公司將建立一個(gè)微架構(gòu)。這既昂貴又困難。ARM不僅僅是CPU架構(gòu),還是一家IP公司和一個(gè)系統(tǒng)解決方案軟件生態(tài)系統(tǒng)。所以,我們可以共存,這是一種“贏家通吃”的死亡競(jìng)賽——這絕對(duì)不是零和游戲。其他架構(gòu)一直都有空間。在有技術(shù)意義的地方,我看到了深度嵌入的專有類型。也許將來會(huì)有別的東西。ARM沒有理由不以某種方式復(fù)制同樣的優(yōu)點(diǎn)。處理器可能會(huì)有不同的未來,ARM必須開發(fā)不同的IP來填補(bǔ)這個(gè)空白?!?/span>


硅時(shí)代的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有數(shù)十年的歷史,在摩爾定律的行業(yè)鐵律下經(jīng)歷了多次產(chǎn)業(yè)變革,毫無疑問,在后摩爾定律時(shí)代,RISC-V是否將推動(dòng)新一波浪潮。

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