車規(guī)應(yīng)用，RISC-V架構(gòu)如何發(fā)力？

作者：豐寧

“選X86還是選ARM？”這是芯片在設(shè)計(jì)之初的首要問題之一。

近些年，這個(gè)選項(xiàng)中還增加了一匹黑馬—RISC-V。

從商業(yè)模式來說，X86是封閉的指令架構(gòu)，適合PC端的高性能計(jì)算，功耗最高，供應(yīng)商主要為英特爾和AMD，基于架構(gòu)開發(fā)芯片并且售賣；Arm架構(gòu)是由Arm公司研發(fā)，適用于移動(dòng)通訊領(lǐng)域，擴(kuò)展性不及X86但能耗居中，基于架構(gòu)再開發(fā)處理器核出售給芯片設(shè)計(jì)公司。

RISC-V是目前市面上主流架構(gòu)中，并不由某一家公司所主導(dǎo)的芯片架構(gòu)，多用于智能穿戴設(shè)備，指令精簡，沒有歷史包袱，功耗也最低。

近幾年來，有越來越多半導(dǎo)體業(yè)界的頭部公司和產(chǎn)業(yè)人士開始參與RISC-V建設(shè)。比如今年8月，博世、高通、英飛凌、Nordic半導(dǎo)體以及恩智浦這五家頭部汽車電子芯片公司共同宣布，一起合資成立一家基于開源RISC-V架構(gòu)的新公司。新公司將重點(diǎn)基于RISC-V架構(gòu)研發(fā)汽車領(lǐng)域芯片。未來，還將逐步擴(kuò)展到移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)等更廣泛的市場。

那么RISC-V架構(gòu)因何適用于汽車應(yīng)用呢？

1、RISC-V架構(gòu)因何適用于汽車應(yīng)用

第一點(diǎn)，RISC-V具有更先進(jìn)的架構(gòu)可以提升汽車系統(tǒng)的整體性能。

在軟件圈有一個(gè)梗：十年的老代碼，你敢動(dòng)嗎？

這個(gè)故事具體情形是：當(dāng)新入職的同事被告知維護(hù)老產(chǎn)品時(shí)，看著代碼包就像是在霧里看花，當(dāng)他去問資歷更老的同事就會(huì)發(fā)現(xiàn)，幾經(jīng)輪回已經(jīng)沒有人懂具體邏輯是什么樣的，原作者也不知道已經(jīng)跳了幾家公司，于是他沒有辦法，只能在外邊包一層，交付新功能。

這，就是歷史的包袱。

毋庸置疑，RISC-V 的指令集相比ARM和X86要精簡得多，包袱也更小。這也意味著編譯器可以更容易地生成高效的機(jī)器代碼，使得程序更容易優(yōu)化，并且更容易移植到不同的RISC-V處理器上。

要知道車上的電控系統(tǒng)、傳感器等眾多設(shè)備都是電老虎，搭載智能駕駛依然會(huì)消耗大量電能，所以RISC-V的低功耗是一個(gè)亮點(diǎn)。

此外，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，如此一來制造商可以按需裁剪并增添專用指令，使其以更小的內(nèi)核面積，更低的功耗，實(shí)現(xiàn)高性能表現(xiàn)，顯著提高能效比。與此同時(shí)，RISC-V允許添加專門的加速器或協(xié)處理器來處理特定任務(wù)，如圖像處理或機(jī)器學(xué)習(xí)，這使得汽車系統(tǒng)能夠以更高的效率處理復(fù)雜任務(wù)，如環(huán)境感知和路徑規(guī)劃。

第二點(diǎn)，RISC-V模塊化設(shè)計(jì)可帶來更廣泛的應(yīng)用。

RISC-V架構(gòu)為各行業(yè)芯片帶來了全新的設(shè)計(jì)理念，汽車芯片也是受惠于這種優(yōu)勢(shì)。尤其是在MCU層面發(fā)展迅速。MCU采用了RISC-V的指令集設(shè)計(jì)，可以讓芯片廠商非?？焖俚赝瓿傻烷T檻、低成本的芯片設(shè)計(jì)，并針對(duì)特定的應(yīng)用場景進(jìn)行定制化的指令集設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的靈活性。

智能駕駛是RISC-V比較好的一個(gè)應(yīng)用場景。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)于競品來講安全隔離會(huì)更好，虛擬分區(qū)也是RISC-V的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。智駕芯片上，Mobileye推出的EyeQ Ultra芯片搭載12個(gè)RISC-V內(nèi)核，可支持L4級(jí)別自動(dòng)駕駛需求。

RISC-V在智慧座艙領(lǐng)域是一個(gè)后來者。智慧座艙采用高通的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語言的系統(tǒng)，Google也已經(jīng)宣布安卓會(huì)支持整個(gè)RISC-V。

智艙芯片上，SiFive P670A/P870A、中科院計(jì)算所第二代“香山”、賽昉科技昉·天樞-90等產(chǎn)品有望代替ARM A系列成為座艙芯片IP核。

此外，在云端應(yīng)用方面，基于RISC-V芯片的算力中心，相較于英偉達(dá)等主流人工智能計(jì)算硬件擁有更高能耗比，可有效提升云端存儲(chǔ)、計(jì)算效率，幫助降低汽車云化、車載物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛開發(fā)、車路協(xié)同等領(lǐng)域運(yùn)營成本。

不過RISC-V的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。

第三點(diǎn)，RISC-V架構(gòu)具有更經(jīng)濟(jì)的成本和更強(qiáng)的生命力。

RISC-V允許任何人免費(fèi)設(shè)計(jì)、制造和銷售RISC-V芯片和軟件，無需像ARM那樣購買昂貴的架構(gòu)許可證。

如此，RISC-V的開源優(yōu)勢(shì)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。

得益于在價(jià)格、性能、靈活性、自主可控等方面的優(yōu)勢(shì)，也促使了RISC-V在車規(guī)級(jí)MCU市場與Arm等其他架構(gòu)MCU瓜分市場的格局形成。并且，近幾年來，國內(nèi)新興的車規(guī)級(jí)MCU廠商很多都不約而同的選擇了RISC-V架構(gòu)來做自己的車規(guī)級(jí)MCU，比如云途半導(dǎo)體、武漢二進(jìn)制、國芯科技以及芯科集成。

2、RISC-V上車有哪些難處？

“如果說在人工智能領(lǐng)域，人們更關(guān)注的是算力，那么在汽車領(lǐng)域，人們關(guān)注的首要問題則是安全?！边@是SiFive產(chǎn)品營銷高級(jí)經(jīng)理林宗民的一句話。

RISC-V想要在汽車中得到廣泛應(yīng)用，還需要兼具有優(yōu)越的安全性和可靠性。RISC-V架構(gòu)允許集成高級(jí)安全功能，如故障檢測(cè)、錯(cuò)誤糾正和安全啟動(dòng)機(jī)制。這些功能對(duì)于滿足汽車安全標(biāo)準(zhǔn)和保護(hù)車輛免受安全威脅至關(guān)重要。

對(duì)于企業(yè)來講，通過功能安全認(rèn)證是一場漫長的“拉鋸戰(zhàn)”。時(shí)間成本是RISC-V相關(guān)企業(yè)推動(dòng)車規(guī)產(chǎn)品落地的過程中最關(guān)心的問題。世界范圍內(nèi)，SiFive和晶心科技等企業(yè)在車規(guī)上布局較早。SiFive車用系列的RISC-V安全處理器已實(shí)現(xiàn)了ISO 26262的ASIL-B和ASIL-D認(rèn)證，晶心科技在2022年也透露其產(chǎn)品開發(fā)流程經(jīng)過了獨(dú)立評(píng)估，符合最高ASIL-D規(guī)格CPU內(nèi)核的開發(fā)要求。在中國大陸，芯來科技的NA900于2021年提交評(píng)估申請(qǐng)，通過ISO 26262 ASIL-D產(chǎn)品認(rèn)證花費(fèi)了近兩年時(shí)間。

同時(shí)任何車載操作系統(tǒng)或者車用的工具鏈，以及車用軟件都要進(jìn)行安全認(rèn)證，這樣才能和芯片進(jìn)行匹配，這是對(duì)車載生態(tài)的一個(gè)限制點(diǎn)。在軟件定義汽車的時(shí)代，如果沒有軟件生態(tài)，基于RISC-V實(shí)現(xiàn)的芯片很難在具體應(yīng)用場景中發(fā)揮作用。

除了軟件生態(tài)的劣勢(shì)，相關(guān)的編譯器、開發(fā)工具以及其他生態(tài)要素也還在發(fā)展，使得 RISC-V 上車受到諸多阻力。不過當(dāng)下，在軟件生態(tài)方面正在發(fā)生一些變化，例如：今年6月，包括谷歌、三星、高通、SiFive、平頭哥、英特爾在內(nèi)的13家IT和半導(dǎo)體頭部企業(yè)發(fā)起了全球RISC-V軟件生態(tài)計(jì)劃“RISE”，以推動(dòng)RISC-V處理器在各個(gè)領(lǐng)域的市場化落地。

盡管RISC-V上車還面臨著軟件生態(tài)的門檻，但多家頭部芯片公司和生態(tài)廠商在積極推進(jìn)車規(guī)級(jí)產(chǎn)品布局。RISC-V正在向更先進(jìn)的制造工藝、更強(qiáng)勁的性能和更高端的應(yīng)用持續(xù)演進(jìn)。

?3、國內(nèi)外廠商推動(dòng)RISC-V上車

隨著全新開源的RISC-V架構(gòu)的興起，國內(nèi)外IP供應(yīng)商已先后推出十余個(gè)系列車規(guī)級(jí)IP，覆蓋通用、高性能MCU與安全芯片IP領(lǐng)域，能基本滿足目前車規(guī)級(jí)控制芯片需求。在此基礎(chǔ)上，芯片廠商正研發(fā)應(yīng)用于車身、動(dòng)力、底盤等領(lǐng)域的高性能RISC-V芯片。

主要RISC-V車規(guī)級(jí)IP及芯片產(chǎn)品 來源：各公司官網(wǎng)，車百智庫研究院

2022年9月，SiFive宣布推出三款車規(guī)級(jí)內(nèi)核：E6-A、X280-A和 S7-A 解決方案，以滿足信息娛樂、駕駛艙、互聯(lián)性、ADAS和電氣化等當(dāng)前和未來應(yīng)用的關(guān)鍵需求。

瑞薩在推動(dòng)RISC-V上車的嘗試則更早，2020年4月，瑞薩與SiFive達(dá)成合作，共同開發(fā)面向汽車應(yīng)用的下一代高端RISC-V解決方案。緊接著，在2020年年末，瑞薩借助日本半導(dǎo)體公司NSITEXE推出了集成RISC-V協(xié)處理器的汽車MCU RH850/U2B。據(jù)了解，這款產(chǎn)品主要用于混合動(dòng)力ICE和xEV牽引逆變器、高端區(qū)域控制、連接網(wǎng)關(guān)和車輛運(yùn)動(dòng)等相關(guān)應(yīng)用。

英特爾在CES 2022上推出了專為自動(dòng)駕駛打造的Eye Q Ultra系統(tǒng)集成芯片。值得一提的是，Mobileye EyeQ Ultra不包含任何X86內(nèi)核，而是擁有12個(gè)RISC-V 內(nèi)核、ARM GPU和DSP。

RISC-V架構(gòu)被認(rèn)為中國車規(guī)級(jí)芯片自主可控的一塊“敲門磚”，有望助力提升國產(chǎn)汽車芯片自給率。

東風(fēng)集團(tuán)與中信科集團(tuán)共同成立二進(jìn)制半導(dǎo)體發(fā)布的伏羲2360，可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、三電控制、ADAS、整車控制等領(lǐng)域；泰凌微TLSR9系列應(yīng)用于汽車通信產(chǎn)品；方寸微電子TIH64Vx690可用于安全MPU。國內(nèi)MCU廠商愛普特也與阿里平頭哥進(jìn)一步達(dá)成深度合作。雙方計(jì)劃未來一年推出六大RISC-V芯片系列產(chǎn)品，主要面向的領(lǐng)域也包括車載領(lǐng)域。

但整體上，汽車領(lǐng)域RISC-V芯片應(yīng)用尚處于早期，僅有少量產(chǎn)品在座椅、車窗控制等功能安全較低領(lǐng)域，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模上車。不過芯科集成資深技術(shù)市場總監(jiān)王超表示：“從這個(gè)行業(yè)來看，RISC-V市場占有率目前略低，但客戶對(duì)RISC-V的接受度并不像大家想象的那么低，他們對(duì)于RISC-V的態(tài)度其實(shí)很Open?！?/p>

值得注意的是，近日，國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心與北京開源芯片研究院、北京中科海芯科技有限公司聯(lián)合在京設(shè)立RISC-V車規(guī)級(jí)芯片技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，將共同研究與開發(fā)RISC-V車規(guī)芯片技術(shù)，開展行業(yè)技術(shù)平臺(tái)和前沿基礎(chǔ)性科研工作，為國內(nèi)RISC-V車規(guī)芯片技術(shù)發(fā)展按下“快進(jìn)鍵”。

4、RISC-V，未來可期

歷史上一直是X86和ARM兩種架構(gòu)壟斷CPU市場的紅利，整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)一直處于高壟斷態(tài)勢(shì)，開源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。

根據(jù)RISC-V基金會(huì)的數(shù)據(jù)，2022年采用RISC-V芯片架構(gòu)的處理器核已出貨100億顆（其中一半來自中國市場）。據(jù)其預(yù)測(cè)，到2025年采用RISC-V架構(gòu)的處理器核出貨量將突破800億顆，增長速度遠(yuǎn)超預(yù)期。

在這個(gè)浪潮中，中國市場已走在AIoT時(shí)代發(fā)展前列，在市場需求牽引下，中國RISC-V生態(tài)已初步形成，全球100億采用RISC-V的核中有一半來自中國，數(shù)百家中國公司都在關(guān)注或以RISC-V指令集進(jìn)行開發(fā)，在RISC-V 22個(gè)高級(jí)會(huì)員中，12家為中國企業(yè)，包括阿里巴巴、華為、騰訊、中興等。

如今，RISC-V架構(gòu)正逐漸成為中國芯片設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的重要一步，幫助中國在芯片開發(fā)和生態(tài)建設(shè)方面取得成就。