車(chē)用RISC-V研究：定制化芯片或成未來(lái)方向，RISC-V將挑戰(zhàn)ARM

佐思汽研發(fā)布《2024年車(chē)用RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》。

什么是RISC-V？

RISC-V（Reduced Instruction Set Computing - Five），中文名為第五代精簡(jiǎn)指令集。它是一種基于精簡(jiǎn)指令集原則的開(kāi)源指令集架構(gòu)（ISA），可用于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)處理器芯片和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。它是全球共識(shí)的第三大架構(gòu)，與X86和ARM并列。

其優(yōu)勢(shì)主要在于RISC-V的指令集和架構(gòu)是開(kāi)源免費(fèi)的。其模塊化設(shè)計(jì)允許企業(yè)添加、拓展或移除指令集。與之相比，ARM與X86不僅指令集開(kāi)發(fā)復(fù)雜，且難以獲得修改指令集授權(quán)。

其劣勢(shì)主要在于生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)不夠成熟。相關(guān)的編譯器、開(kāi)發(fā)工具和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）及其它生態(tài)要素還在發(fā)展。

RISC-V與X86、ARM架構(gòu)對(duì)比

來(lái)源：RISC-V手冊(cè)

RISC-V使芯片定制化更容易

RISC-V采用模塊化 ISA，即由 1 個(gè)基本整數(shù)指令集（基本整數(shù)指令集是RISC-V唯一強(qiáng)制要求實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)指令集，其他指令集都是可選的擴(kuò)展模塊） + 多個(gè)可選的擴(kuò)展指令集組成。因此可根據(jù)應(yīng)用程序的需求定制CPU。

其定制化優(yōu)勢(shì)在于它使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建數(shù)千個(gè)潛在的定制處理器，從而加快上市時(shí)間。處理器IP的通用性還節(jié)省了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。

RISC-V定制化的主要優(yōu)勢(shì)

來(lái)源：Codasip

例如，Codasip可為用戶(hù)提供基于RISC-V架構(gòu)的處理器IP定制解決方案。該方案包括基礎(chǔ)性的處理器IP和開(kāi)發(fā)工具Codasip Studio。工程團(tuán)隊(duì)能夠針對(duì)其項(xiàng)目需求實(shí)現(xiàn)硬件和軟件一體化設(shè)計(jì)，提升定制化處理器設(shè)計(jì)的效率。Codasip還于2023年10月推出了用于定制計(jì)算的700系列處理器。借助700系列和Codasip的定制計(jì)算，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)在芯片或應(yīng)用層面進(jìn)行優(yōu)化，獲得獨(dú)特的收益，同時(shí)控制成本。

SiFive也是基于 RISC-V 定制化的半導(dǎo)體企業(yè)。SiFive的主業(yè)是基于RISC-V架構(gòu)幫助企業(yè)定制處理器內(nèi)核。通過(guò)其定制化RISC-V半導(dǎo)體產(chǎn)品，幫助IC設(shè)計(jì)及系統(tǒng)公司縮短上市時(shí)間，減少成本費(fèi)用。

2022年已出貨100億顆，RISC-V向高性能領(lǐng)域拓展

據(jù)RISC-V基金會(huì)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，主要用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，RISC-V也開(kāi)始逐漸走向高性能領(lǐng)域。例如自動(dòng)駕駛、人工智能、通信、數(shù)據(jù)中心等對(duì)算力要求更高的場(chǎng)景。

特斯拉于2021年自研定制化芯片“D1”。D1以RISC-V架構(gòu)ISA為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展，可訓(xùn)練數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的人工智能網(wǎng)絡(luò)。

Mobileye（被Intel收購(gòu)）也于2022年1月發(fā)布12核RISC-V自動(dòng)駕駛芯片EyeQ Ultra，其CPU內(nèi)核全部用的是RISC-V。預(yù)計(jì)2025年量產(chǎn)。

2023年9月，賽昉科技（StarFive）發(fā)布高性能RISC-V CPU IP——昉·天樞-90（Dubhe-90）。Dubhe-90是Dubhe Max Performance系列旗艦產(chǎn)品，SPECint2006 9.4/GHz，性能比肩ARM Cortex-A76，客戶(hù)主要來(lái)自于PC、高性能網(wǎng)絡(luò)通訊、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用領(lǐng)域。

RISC-V與Chiplet技術(shù)結(jié)合，降低芯片設(shè)計(jì)成本及門(mén)檻

為降低芯片設(shè)計(jì)成本及門(mén)檻，RISC-V處理器開(kāi)發(fā)公司及研究機(jī)構(gòu)還將RISC-V與Chiplet技術(shù)結(jié)合。

Chiplet，中文叫芯粒，是將特定功能的裸片（die），通過(guò)芯片內(nèi)互聯(lián)技術(shù)（die-to-die）實(shí)現(xiàn)多個(gè)同質(zhì)、異構(gòu)的模塊芯片封裝在一起。Chiplet技術(shù)可將系統(tǒng)級(jí)芯片分割成獨(dú)立的模塊，進(jìn)行單獨(dú)制造，從而改善良率，降低設(shè)計(jì)成本。

芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域初創(chuàng)公司Ventana Micro Systems于2023年11月推出第二代 Veyron 系列基處理器—Veyron V2。Veyron V2基于RISC-V架構(gòu)處理器開(kāi)發(fā)，以Chiplet和 IP 的形式進(jìn)行提供。Veyron V2 chiplet采用UCIe chiplet互連，可將處理器上市時(shí)間縮短兩年，并將開(kāi)發(fā)成本降低75%?；赾hiplet的解決方案還通過(guò)調(diào)整計(jì)算、I/O和內(nèi)存的大小來(lái)提供更好的單元經(jīng)濟(jì)性。

Ventana將RISC-V與Chiplet技術(shù)結(jié)合

來(lái)源：Ventana

芯來(lái)科技，作為RISC-V架構(gòu)CPU IP企業(yè)，也在布局Chiplet。2022年11月，芯來(lái)科技加入U(xiǎn)CIe（Universal Chiplet Interconnect Express）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，成為UCIe聯(lián)盟新成員。作為中國(guó)國(guó)內(nèi)首批加入該聯(lián)盟的RISC-V CPU IP企業(yè)。芯來(lái)科技將與UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟全球范圍內(nèi)其他成員共同致力于UCIe 1.0版本規(guī)范和下一代UCIe技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究與應(yīng)用，并將開(kāi)展基于Chiplet互聯(lián)的硬核IP研發(fā)。

2024年1 月 9 日，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所也推出了一種名為“Zhejiang”（浙江）的“大芯片”。采用 Chiplet 設(shè)計(jì)，共包括 16 個(gè)Chiplets，而每個(gè)Chiplet內(nèi)有 16 個(gè) RISC-V 核心，總計(jì) 256 核心，且均支持可編程、可重新配置。

國(guó)產(chǎn)替代空間大，汽車(chē)電子市場(chǎng)有望成為RISC-V下一爆發(fā)點(diǎn)

一輛汽車(chē)中所使用的半導(dǎo)體器件數(shù)量中，MCU占比約30%。傳統(tǒng)汽車(chē)約有50-100個(gè)MCU，智能汽車(chē)MCU數(shù)量將翻倍。而國(guó)產(chǎn)車(chē)規(guī)MCU領(lǐng)域市占率不足5% ，國(guó)產(chǎn)替代空間較大。

以往車(chē)載芯片主要基于ARM架構(gòu)或歐洲一些芯片公司的私有架構(gòu)。RISC-V開(kāi)放架構(gòu)的出現(xiàn)為國(guó)產(chǎn)車(chē)載芯片的研發(fā)提供更廣闊的選擇面。其開(kāi)放性設(shè)計(jì)使得汽車(chē)芯片廠商可根據(jù)自身的需求進(jìn)行特性布局，從而豐富產(chǎn)品形態(tài)。

近幾年來(lái)，已有不少?lài)?guó)內(nèi)車(chē)規(guī)級(jí)MCU廠商選擇RISC-V架構(gòu)來(lái)打造自己的MCU，包括武漢二進(jìn)制、國(guó)芯科技、凌思微、芯科集成等。

其中，國(guó)芯科技將探索RISC-V架構(gòu)在汽車(chē)電子中高端MCU芯片中的應(yīng)用。如面向新能源動(dòng)力域OBC/DC-DC應(yīng)用的CCFC3010PT芯片，這是國(guó)芯科技首款基于RISC-V指令架構(gòu)的車(chē)規(guī)MCU芯片。同時(shí)，將啟動(dòng)開(kāi)發(fā)CCFC3009PT芯片，這是面向自駕領(lǐng)域設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的MCU芯片，主要面向ISP及毫米波雷達(dá)信號(hào)的后處理。

芯科集成于2023年8月推出的車(chē)規(guī)級(jí)MCU CX3288采用32位RISC-V內(nèi)核，符合功能安全I(xiàn)SO26262 ASIL-B的要求，在信息和網(wǎng)絡(luò)安全方面支持SHE（安全硬件擴(kuò)展）、Medium HSM，支持通信加密和安全啟動(dòng)。并且支持AutoSAR，可提供MCAL和配置工具支持。

國(guó)內(nèi)MCU廠商布局車(chē)用RISC-V領(lǐng)域

來(lái)源：《2024年車(chē)用RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》

芯科集成推出基于RISC-V的車(chē)規(guī)MCU

來(lái)源：芯科集成

當(dāng)前汽車(chē)軟件和工具鏈仍比較碎片化，若使用 ARM 一個(gè)架構(gòu)適用于所有情況，那么從上層軟件廠商和操作系統(tǒng)到應(yīng)用程序廠商都很難找到通用性。相比ARM，RISC-V的定制能力較強(qiáng)，其豐富的延展性可滿(mǎn)足未來(lái)汽車(chē)電子系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的需求；且該架構(gòu)免費(fèi)使用，可降低研發(fā)成本，不受任何專(zhuān)利或版權(quán)制約。因此，汽車(chē)電子有望成為RISC-V下一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。

面向RISC-V在汽車(chē)電子的發(fā)展機(jī)遇，2023年12 月，高通、博世、英飛凌、恩智浦、北歐半導(dǎo)體（Nordic）等五家頭部汽車(chē)電子芯片公司共同投資組建了一家專(zhuān)注于 RISC-V 生態(tài)的初創(chuàng)企業(yè) ——Quintauris。公司總部位于德國(guó)慕尼黑，CEO 為Alexander Kocher，（此前曾擔(dān)任汽車(chē)嵌入式方案供應(yīng)商 Elektrobit 的 CEO 兼總裁，還曾在大陸集團(tuán)、西門(mén)子和英飛凌等公司任職）。公司創(chuàng)立初期將重點(diǎn)針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用，隨后逐步擴(kuò)展到移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)芯片等領(lǐng)域。

高通聯(lián)合其他四家企業(yè)成立RISC-V 生態(tài)企業(yè)

但在RISC-V上車(chē)方面需面臨兩大挑戰(zhàn)。一是“車(chē)規(guī)”認(rèn)證周期長(zhǎng)；首先，需通過(guò)16949認(rèn)證，芯片需要獲得ACQ-100認(rèn)證，模組需要獲得ACQ-104認(rèn)證，同時(shí)還需通過(guò)功能安全I(xiàn)SO26262認(rèn)證。二是需建立健全的軟件生態(tài)。包括更廣泛的操作系統(tǒng)和中間件支持，及更多針對(duì)特定汽車(chē)應(yīng)用的優(yōu)化和驗(yàn)證。

國(guó)內(nèi)主機(jī)廠支持RISC-V發(fā)展，積極與國(guó)內(nèi)芯片廠商合作

一些國(guó)內(nèi)主機(jī)廠也對(duì)RISC-V持歡迎態(tài)度，正積極與國(guó)內(nèi)芯片廠商合作。例如東風(fēng)汽車(chē)、比亞迪、奇瑞等。

2022年5月，東風(fēng)公司牽頭聯(lián)合中國(guó)信科、武漢菱電、武漢理工、華中科大、芯來(lái)科技、泰晶科技等8家單位啟動(dòng)共建“湖北省車(chē)規(guī)級(jí)芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合體”。

2022年12月，由東風(fēng)汽車(chē)旗下基金參投的武漢二進(jìn)制半導(dǎo)體發(fā)布基于RISC-V架構(gòu)的高性能車(chē)規(guī)級(jí)MCU芯片伏羲2360，采用芯來(lái)科技NA900 RISC-V 多核異構(gòu)CPU IP。可用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、三電控制、ADAS、整車(chē)控制等領(lǐng)域。

車(chē)規(guī)級(jí)MCU芯片伏羲2360

來(lái)源：武漢二進(jìn)制半導(dǎo)體

2023年7月，東風(fēng)公司宣布，由其牽頭成立的湖北省車(chē)規(guī)級(jí)芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合體已實(shí)現(xiàn)3款國(guó)內(nèi)空白車(chē)規(guī)級(jí)芯片首次流片（試生產(chǎn)），完成了國(guó)內(nèi)首款基于RISC-V指令集架構(gòu)車(chē)規(guī)級(jí)MCU芯片。

奇瑞也在與國(guó)內(nèi)芯片廠商合作，來(lái)定義整個(gè)RISC-V的測(cè)試架構(gòu)，例如在基于RISC-V的客戶(hù)端和RISC-V芯片的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)確保RISC-V芯片的可靠性。除芯片測(cè)試之外，奇瑞還基于車(chē)規(guī)，如AEC-Q100，進(jìn)行了安全可靠性的測(cè)試。

此外，比亞迪與華為合作，雙方在基于RISC-V架構(gòu)的英特爾或高通的芯片上聯(lián)合開(kāi)展研究。