RISC-V，我國(guó)CPU架構(gòu)的最優(yōu)解

作者 | 章漣漪

CPU是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，其架構(gòu)是芯片產(chǎn)業(yè)鏈和芯片生態(tài)的融合。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，占據(jù)世界芯片主要市場(chǎng)份額的CPU，只有X86和ARM兩種架構(gòu)。

“這種情況大概會(huì)持續(xù)下”。因此，在9月1-3日召開(kāi)的泰達(dá)論壇上，中國(guó)工程院院士倪光南建議，有必要思考一下未來(lái)主流CPU架構(gòu)發(fā)展的技術(shù)路線(xiàn)。在他看來(lái)，這幾年國(guó)產(chǎn)CPU發(fā)展很快，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已經(jīng)有六七種CPU架構(gòu)并存，但這并非長(zhǎng)久之計(jì)。

CPU架構(gòu)具有很強(qiáng)的壟斷性，而目前中國(guó)多種國(guó)產(chǎn)CPU架構(gòu)并存，未來(lái)可能會(huì)造成資源分散、低水平重復(fù)，這種狀況不加以改進(jìn)，我國(guó)將缺乏在全球市場(chǎng)上與X86和ARM兩家競(jìng)爭(zhēng)的自主CPU架構(gòu)，從而在主流CPU方面仍然可能受制于人。倪光南指出，“新型的開(kāi)源精簡(jiǎn)指令的架構(gòu)“RISC-V”架構(gòu)，為我國(guó)掌握芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動(dòng)權(quán)提供了機(jī)遇”。

那么，什么是“RISC-V”？它的優(yōu)勢(shì)是什么？目前應(yīng)用情況又如何呢？還面臨哪些挑戰(zhàn)？

01RISC-V是什么？

RISC-V，中文名稱(chēng)是第五代精簡(jiǎn)指令集(Reduced Instruction Set Computing)，是一種基于精簡(jiǎn)指令集原則的開(kāi)源指令集架構(gòu)。

所謂指令，顧名思義，就是給芯片下任務(wù)。處理器是一塊芯片，而芯片并不會(huì)自己工作，需要有人告訴它該做什么操作。例如“告訴芯片下個(gè)操作做乘法”，即一條指令，而一個(gè)芯片指令的合集就叫指令集。

指令集規(guī)定了二進(jìn)制數(shù)的格式、尋址方式、操作類(lèi)型等。與RISC-V架構(gòu)類(lèi)似的，是X86架構(gòu)、ARM架構(gòu)。

但與X86架構(gòu)、ARM架構(gòu)不同的是，RISC-V架構(gòu)非常“年輕”。2010年，加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備做一個(gè)CPU，不過(guò)Intel和ARM高昂的授權(quán)費(fèi)用讓他們望而卻步，轉(zhuǎn)頭決定自己做一套開(kāi)源的指令集，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力RISC-V誕生。

作為較新的指令集，RISC-V的架構(gòu)具備一定的優(yōu)勢(shì)?！坝懈冗M(jìn)的架構(gòu)、有更廣闊的應(yīng)用、有更經(jīng)濟(jì)的成本、有更強(qiáng)的生命力”。奇瑞汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)工程技術(shù)研發(fā)總院智能車(chē)技術(shù)中心芯片規(guī)劃總監(jiān)郭宇輝如是表示。

在他看來(lái)，更先進(jìn)的架構(gòu)，毋庸置疑就是RISC-V的指令集更精簡(jiǎn)，包袱也小，不像X86以及ARM公司發(fā)展了20、30年了，它整個(gè)包袱非常大；RISC-V對(duì)于設(shè)計(jì)低功耗也更加的優(yōu)越；應(yīng)用方面，要求模塊化還有易定制，更適配物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代海量多應(yīng)用的需求。

此外，成本方面，由于RISC-V是開(kāi)源的，大幅度降低了整個(gè)芯片設(shè)計(jì)的成本，可以省去IP的授權(quán)費(fèi)。同時(shí)，指令集的開(kāi)源更具生命力以及可持續(xù)發(fā)展，具備從嵌入式到高性能計(jì)算領(lǐng)域的整個(gè)覆蓋能力?！?/p>

開(kāi)源RISC-V的出現(xiàn)大大降低了芯片行業(yè)的門(mén)檻，人才培養(yǎng)便捷，研發(fā)周期縮短，使其后續(xù)發(fā)展具備強(qiáng)大生命力?！蹦吖饽戏Q(chēng)，截至2022年底在Iot領(lǐng)域應(yīng)用出貨量達(dá)100億顆，用12年的時(shí)間完成了ARM近30年的發(fā)展速度；預(yù)計(jì)2025年將達(dá)800億顆甚至更高。2023也是RISC-V高性能大算力發(fā)展的元年，目前已經(jīng)有眾多企業(yè)加入其中。

02RISC-V在汽車(chē)賽道機(jī)遇

作為較新的指令集，RISC-V在技術(shù)上固然有一定的優(yōu)勢(shì)，但在國(guó)內(nèi)受到廣泛關(guān)注，最大的原因也是因?yàn)樵撝噶罴情_(kāi)源免費(fèi)的。目前市面上常見(jiàn)的指令集都是收費(fèi)的，例如華為麒麟芯片，就購(gòu)買(mǎi)了ARM家的指令集。

收費(fèi)除了成本更貴以外，背后更大的“麻煩”在于，這些有指令集知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司均為國(guó)外公司，不利于我國(guó)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵芯片的自主可控。

而目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有非常多的RISC-V核心RTL代碼，很多是開(kāi)源的。比如，Rocket Core、Boom Core、LowRISC SoC等均提供源代碼。如果用于商用，國(guó)內(nèi)外也有許多商業(yè)公司提供穩(wěn)定的RISC-V IP核心。例如國(guó)外的SiFive公司、Microsemi公司、國(guó)內(nèi)的阿里平頭哥、芯來(lái)科技等。

基于此，倪光南建議，我國(guó)抓住新一代信息技術(shù)發(fā)展機(jī)遇，面向未來(lái)主流CPU市場(chǎng)，聚焦開(kāi)源RISC-V架構(gòu)發(fā)展中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)，通過(guò)充分發(fā)揮我國(guó)舉國(guó)體制和超大規(guī)模市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和人才優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展壯大RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)，增強(qiáng)RISC-V產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的自主可控能力，加大對(duì)RISC-V開(kāi)源社區(qū)的貢獻(xiàn)，最終使世界主流CPU市場(chǎng)形成X86、ARM和RISC-V三分天下的格局。

在倪光南看來(lái)，我國(guó)發(fā)展RISC-V具有三大獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

首先是符合國(guó)家科技自立自強(qiáng)發(fā)展戰(zhàn)略，又推動(dòng)全球科技創(chuàng)新。歷史上一直是X86和ARM兩種架構(gòu)壟斷CPU市場(chǎng)的紅利，整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)一直處于高壟斷態(tài)勢(shì)，開(kāi)源RISC-V的出現(xiàn)打破了壟斷，為全球芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)大的推動(dòng)力，相關(guān)生態(tài)環(huán)境也正在迅速發(fā)展完善。

第二，中國(guó)超大規(guī)模市場(chǎng)是培育未來(lái)新一代信息技術(shù)的沃土。此外，中國(guó)是世界最大工程師培育搖籃，人才優(yōu)勢(shì)為技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新提供了必要條件。

具體到汽車(chē)場(chǎng)景，RISC-V擁有自己的優(yōu)劣勢(shì)。郭宇輝基于此進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

首先是車(chē)身控制BCM，車(chē)身控制是RISC-V的主要使用場(chǎng)景，整個(gè)車(chē)身的控制需要用到幾十顆甚至上百顆的芯片，可以實(shí)現(xiàn)物理資源的隔離，即在低成本的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于AUTOSAR3和AUTOSAR4的水準(zhǔn)。在E擴(kuò)容中NPU實(shí)現(xiàn)了各部分的軟件隔離，降低了整個(gè)系統(tǒng)的集成難度，同時(shí)提供了低成本、高效能的代碼密度擴(kuò)展?！爱?dāng)然需要有更多的AUTOSAR的廠(chǎng)商去適配，去支持整個(gè)RISC-V”。

智慧座艙領(lǐng)域，RISC-V在智慧座艙領(lǐng)域是一個(gè)后來(lái)者。智慧座艙用高通的64位處理器，它的生態(tài)已經(jīng)非常的健全。因?yàn)榻ㄖ腔圩撔枰粋€(gè)非常健全的生態(tài)，這個(gè)是RISC-V目前在座艙上的一些劣勢(shì)。但是RISC-V在座艙方面主要是擴(kuò)展支持虛擬化，也為未來(lái)成為座艙應(yīng)用的后起之秀奠定了一定的基礎(chǔ)。同時(shí)，現(xiàn)在已經(jīng)可以支持使用Java語(yǔ)言的系統(tǒng)，Google也已經(jīng)宣布安卓會(huì)支持整個(gè)RISC-V。

自動(dòng)駕駛應(yīng)該說(shuō)是RISC-V比較好的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。比如說(shuō)，它可以支持高性能的處理，為自動(dòng)駕駛提供更強(qiáng)的通用計(jì)算能力。RISC-V支持自定義的指令集擴(kuò)展，可以加速特定的應(yīng)用。此外，相對(duì)于競(jìng)品來(lái)講安全隔離會(huì)更好，虛擬分區(qū)也是RISC-V的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。

智達(dá)誠(chéng)遠(yuǎn)浩瀚創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)施舜堯也表達(dá)了類(lèi)似觀點(diǎn)。他表示，由于ARM發(fā)展的生態(tài)比較早，所以市場(chǎng)占有率也比較高。但是RISC-V近幾年通過(guò)開(kāi)放的、可擴(kuò)展的模式得到了很大的市場(chǎng)發(fā)展。

總體來(lái)說(shuō)RISC-V和ARM都有各自的優(yōu)勢(shì)跟應(yīng)用領(lǐng)域，ARM的生態(tài)比較成熟，所以它在移動(dòng)和高性能的計(jì)算領(lǐng)域占用主導(dǎo)地位；但RISC-V最近幾年開(kāi)放性和靈活性，使得它近年來(lái)在汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展迅速，尤其是在MCU層面。

“MCU其實(shí)采用了RISC-V的指令集設(shè)計(jì)，可以讓芯片廠(chǎng)商非?？焖俚耐瓿傻烷T(mén)檻、低成本的芯片設(shè)計(jì)，并且針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制化的指令集設(shè)計(jì)，所以它具有很強(qiáng)的靈活性?！笔┧磮蜻€指出，Googl宣布從安卓15開(kāi)始支持RISC-V，這意味著RISC-V在下一代智能座艙的生態(tài)很快就要建立起來(lái)。

03RISC-V面臨的挑戰(zhàn)

機(jī)遇往往與挑戰(zhàn)并存，RISC-V發(fā)展也是如此，它在汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展需要滿(mǎn)足幾個(gè)重要因素。

首先是首先RISC-V需要展示它很有競(jìng)爭(zhēng)力的性能跟能效，才能在汽車(chē)應(yīng)用中獲得采用。

其實(shí)是安全性和可靠性，RISC-V需要滿(mǎn)足行業(yè)非常嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)服汽車(chē)制造商從ARM轉(zhuǎn)向RISC-V，可能需要徹底的測(cè)試、驗(yàn)證和長(zhǎng)期的支持保障。

再者，是強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)，才可以讓RICS-V在汽車(chē)領(lǐng)域的采用度提高很多。

最后是RICS-V的實(shí)施成本，雖然它具有開(kāi)源特性，在許可成本上就有優(yōu)勢(shì)，但是在整車(chē)的量產(chǎn)過(guò)程中，它的開(kāi)發(fā)、集成、支持遇到的量產(chǎn)問(wèn)題，未來(lái)可能投入成本會(huì)比較高，這方面的改善可以更有競(jìng)爭(zhēng)力。

相比其他，生態(tài)的不健全是RISC-V面臨的最大問(wèn)題，而汽車(chē)行業(yè)又是一個(gè)強(qiáng)生態(tài)的行業(yè)。為此，賽道企業(yè)都在為其努力。

IAR中國(guó)區(qū)RISC-V生態(tài)總監(jiān)張桂杰稱(chēng)，IAR在推動(dòng)RISC-V方面做的一些工作，目前IAR已經(jīng)全面支持了國(guó)際上、國(guó)內(nèi)比較主流的，基于RISC-V的車(chē)規(guī)級(jí)的CPU的IP。其中，NA900是全球第一款通過(guò)了功能安全等級(jí)的一個(gè)RISC-V的車(chē)規(guī)級(jí)的CPU IP。

“國(guó)芯一直是致力于嵌入CPU的發(fā)展，特別是基于開(kāi)源形成互補(bǔ)，推出了八大系列四十余款不同的CPU架構(gòu)，其中包括RISC-V在工業(yè)、高性能計(jì)算不同的CPU?！碧K州國(guó)芯科技股份有限公司董事、總經(jīng)理肖佐楠也表示，基于頭部企業(yè)需要進(jìn)行了3009的開(kāi)發(fā)，成為國(guó)芯第一款既滿(mǎn)足輔助駕駛，又能滿(mǎn)足跨域融合RISC-V MCU，今年或者明年初就會(huì)推出。

郭宇輝也從主機(jī)廠(chǎng)角度對(duì)RISC-V合作生態(tài)進(jìn)行了思考。據(jù)其介紹，從整個(gè)技術(shù)來(lái)看，在芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)以及上車(chē)方面，奇瑞在積極地跟國(guó)內(nèi)的芯片廠(chǎng)商進(jìn)行合作，來(lái)定義整個(gè)RISC-V的測(cè)試架構(gòu)。“從芯片RISC-V的NPU底層一直到芯片的驅(qū)動(dòng)以及軟件庫(kù)，再到工具鏈以及AUTOSAR的生態(tài)，RISC-V既要支持基于AUTOSAR的車(chē)規(guī)安全，也要兼顧RISC-V的整個(gè)生態(tài)。所以我們也要建立另外一套非車(chē)規(guī)安全的工具鏈，去適配更多的應(yīng)用開(kāi)發(fā)”。

實(shí)際上，不止CPU，汽車(chē)行業(yè)也在GPU領(lǐng)域給予RISC-V進(jìn)行研究。

上海清華國(guó)際創(chuàng)新中心副主任何虎稱(chēng)，參考RISC-V指令級(jí)、CPU指令級(jí)發(fā)展脈絡(luò)，我們覺(jué)得如果能夠在GPU架構(gòu)上有一個(gè)開(kāi)源開(kāi)放指令級(jí)，是不是也可以有機(jī)會(huì)成為世界第三級(jí)。

目前，其正在開(kāi)發(fā)的開(kāi)源通用GPU指令集架構(gòu)OpenGPGPU，采用的就是基于RISC-V的標(biāo)量和向量擴(kuò)展來(lái)作為GPGPU的基礎(chǔ)指令級(jí)，目前定義的開(kāi)源GPU指令級(jí)架構(gòu)大約是90%以上的指令是RISC-V指令，會(huì)有一部分是其自定義的為GPU專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的指令。

“今天我們面臨百年未有之大變局。中國(guó)在發(fā)展CPU產(chǎn)業(yè)時(shí)，要注重未來(lái)主流CPU的發(fā)展趨勢(shì)。”倪光南希望，能有更多企業(yè)聚焦開(kāi)源RISC-V架構(gòu)，大力推進(jìn)RISC-V生態(tài)建設(shè)，最終使RISC-V架構(gòu)能夠在世界CPU市場(chǎng)與X86和ARM三足鼎立。