對(duì)于RISC-V的相關(guān)分析和介紹

最近幾年的芯片領(lǐng)域，RISC-V是一個(gè)絕對(duì)繞不過的關(guān)鍵詞。

和X86和Arm不一樣，指令集架構(gòu)RISC-V因?yàn)閾碛虚_放性，先進(jìn)性，模塊化和可擴(kuò)展等特點(diǎn)，尤其是本身的開源屬性，使得它不會(huì)受到任何單一公司的沉浮或者一時(shí)興起的決定的影響。在這些多種因素的推動(dòng)下，這個(gè)指令集從2011年開始走熱，過去兩年更吸引了國內(nèi)芯片創(chuàng)業(yè)者的狂熱追捧。

為了指導(dǎo) RISC-V 指令集架構(gòu)的未來發(fā)展并推動(dòng)其應(yīng)用，非營利性組織RISC-V 基金會(huì)于2015年成立，經(jīng)過近四年的發(fā)展，目前成員數(shù)量已達(dá)到235家。日前，基金會(huì)首次在中國五座城市組織了路演，來自RISC-V領(lǐng)域的多個(gè)企業(yè)講述了他們在這個(gè)領(lǐng)域布局和想法。

RISC-V可以怎么玩？

據(jù)網(wǎng)上資料顯示，RISC-V是一個(gè)典型三操作數(shù)，加載-存儲(chǔ)形式的 RISC 架構(gòu)，擁有 3 個(gè)基本指令集和 6 個(gè)擴(kuò)展指令集。其中基本整數(shù)指令集體系結(jié)構(gòu) ISA 能夠通過添加一個(gè)或者多個(gè)可選的指令集擴(kuò)展來進(jìn)行功能的增強(qiáng)。這種靈活性就能給開發(fā)者帶來了太多的選擇和玩法。

首先看專注于RISC-V處理器內(nèi)核IP與解決方案的芯來科技，據(jù)該公司創(chuàng)始人胡振波先生介紹，他們已經(jīng)目前已經(jīng)發(fā)布了面向AIoT的超低功耗產(chǎn)品線N200系列，這系列32位超低功耗RISC-V處理器是他們專為物聯(lián)網(wǎng)IoT終端設(shè)備的感知，連接，控制以及輕量級(jí)智能應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，從性能上看，可以直接替代arm 的Cortex-M系列。

芯來科技的N200系列

與此同時(shí)，他們還在研發(fā)面向邊緣計(jì)算的嵌入式高性能產(chǎn)品線N900系列。其中N900系列32位處理器在功耗和性能上具有極佳的平衡性面向民用邊緣計(jì)算領(lǐng)域，R900系 列32位處理器面向高可靠性和實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，U900系列32位和X900系列64位處理器，配合多核支持，矢量加速，以及可擴(kuò)展特性，以及對(duì)Linux的支持，主要面向5G和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通訊領(lǐng)域，以及多媒體，嵌入式AI等。這同樣可以找到arm領(lǐng)域內(nèi)的匹配者。

芯來科技目前的產(chǎn)品線

胡振波指出，芯來的目標(biāo)是以處理器為平臺(tái)，和客戶深度合作，從客戶業(yè)務(wù)需 求出發(fā)提供處理器定制服務(wù)。他們同事還推出了一項(xiàng)RISC-V處理器內(nèi)核IP普惠計(jì)劃——一分錢計(jì)劃。據(jù)介紹，參與這個(gè)計(jì)劃的開發(fā)者，可以從芯來科技輕松免費(fèi)獲取商用的RISC-V處理器內(nèi)核N201，而在大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)，芯來科技也僅向每顆芯片收取人民幣一分錢的版稅(Royalty)，相對(duì)于開發(fā)者來說，這也是他們進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)捷徑。

其次看阿里巴巴旗下的平頭哥半導(dǎo)體。作為RISC-V基金會(huì)的鉑金會(huì)員，他們除了推出了世界上首個(gè)帶有TEE的嵌入式RISC-V內(nèi)核902外，他們還規(guī)劃了903、905、907、910和960等多代RISC-V處理器。他們也針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，規(guī)劃了多個(gè)系列的產(chǎn)品線。公司也正在積極參與RISC-V的生態(tài)建設(shè)中去。

平頭哥的RISC-V產(chǎn)品線

源自中科院、專注于嵌入式AI解決方案的團(tuán)隊(duì)澎峰科技則推做了一個(gè)名為“Perf“的開發(fā)版。據(jù)該公司張先軼先生介紹，他們認(rèn)為RISC-V是體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的“Linux”，而RISC-V+AI則能爆發(fā)出巨大的應(yīng)用潛力。

澎峰科技的Perf-v開發(fā)板

按照他的設(shè)想，他們以FPGA為主芯片，加入多種RISC-V軟核的Perf-v開發(fā)板擁有配套工具成熟，外設(shè)借口豐富、性價(jià)比高，且還有醫(yī)用、案例豐富等特性，能夠?yàn)殚_發(fā)者提供多樣化的服務(wù)。

成立于2014年的法國GreenWaves Technologies則將RISC-V核心應(yīng)用到其高集成度的新型智能MCU GAP8中。據(jù)GreenWaves 張垚先生介紹，他們的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用處理器可以分為兩部分。其中微控制器部分使用了一顆經(jīng)擴(kuò)展的RISC-V內(nèi)核，而計(jì)算加速部分使用了8顆基于RISC-V的擴(kuò)展內(nèi)核。在這個(gè)基礎(chǔ)上加上各種外設(shè)、I/O，加上其高能效平衡的并行架構(gòu)、共享指令集、硬件卷積加速引擎和快速的能源狀態(tài)切換支持，這就給GAP8帶來了極致的能耗，為使用電池的應(yīng)用場景帶來高能耗的端側(cè)AI計(jì)算能力。

GreenWaves Technologies的GAP 8

作為最早涉足RISC-V的廠商之一，SiFive則推出了2系列、3/5系列和7系列這幾個(gè)針對(duì)不同應(yīng)用場景的RISC-V產(chǎn)品線。在他們看來，這些產(chǎn)品能夠?yàn)榇鎯?chǔ)、5G/網(wǎng)絡(luò)、AR/VR/傳感器融合、企業(yè)級(jí)SSD、邊緣人工智能、可穿戴AI等應(yīng)用和市場提供支持。

SiFive的產(chǎn)品線

***IP供應(yīng)傻晶心科技則憑借著超過14年的商用CPU開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、全球累積超過160家客戶以及35億顆的量產(chǎn)紀(jì)錄，加上自家開發(fā)環(huán)境IDE(AndeSight)和既有的DSP & ACE所擁有的優(yōu)勢讓Andes在RISC-V市場有一席之地。從2017年推出N25/NX25開始，到2018年發(fā)布A25/AX25，再到今年的N22 & D25和接下來即將推出的A25MP/AX25MP，RISC-V正在一步步完善其產(chǎn)品布局，未來甚至還會(huì)推出更多級(jí)流水線高性能RISC-V CPU，滿足市場的需求。

解決現(xiàn)有的問題方法？

在和很多RISC-V從業(yè)者交流的時(shí)候，他們都無一例外的告訴半導(dǎo)體行業(yè)觀察記者，RISC-V面臨的一個(gè)最大挑戰(zhàn)就是生態(tài)問題或者工具問題，但其實(shí)也有很多廠商投入其中。

例如在RISC-V的一大特點(diǎn)指令客制方面化，過去這些操作需要開發(fā)者擁有豐富CPU專業(yè)知識(shí)及大量人力來修改既有的處理器硬件和相關(guān)軟件工具，并確認(rèn)其功能無誤，因此加入客制化指令對(duì)許多SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說并不容易。但透過晶心科技的ACE設(shè)計(jì)環(huán)境，即可大幅簡化加入客制化指令的步驟。

據(jù)介紹，ACE最強(qiáng)大的功能是能以高階語法來描述指令，并自動(dòng)產(chǎn)生RTL電路。例如，向量語法讓開發(fā)者能像設(shè)計(jì)純量指令一樣輕鬆設(shè)計(jì)出向量指令，背景語法則能讓需較長時(shí)間執(zhí)行的ACE指令持續(xù)在背景同步執(zhí)行，工程師亦能利用自訂暫存器及自訂記憶體能設(shè)定任意位元寬度的特點(diǎn)，讓ACE指令執(zhí)行寬位元的輸入和輸出，而這些ACE功能都有助處理器效能大幅提升。另外，COPILOT除了能容易地產(chǎn)生工具鏈，也能自動(dòng)產(chǎn)生測試向量和交叉驗(yàn)證環(huán)境，幫工程師驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的指令是否正確，讓設(shè)計(jì)驗(yàn)證更為容易。

晶心科技方面強(qiáng)調(diào)，COPILOT設(shè)計(jì)環(huán)境是自動(dòng)產(chǎn)生ACE指令的關(guān)鍵，能幫助SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)省去許多底層RTL設(shè)計(jì)工作，例如運(yùn)算碼選取、指令解碼、運(yùn)算元參照、輸入運(yùn)算元存取、資料相依性檢查及結(jié)果彙整。ACE相當(dāng)易于使用，不需熟悉處理器管線設(shè)計(jì)也能快速上手，這讓工程師能專注于利用ACE強(qiáng)大的功能，而不是花費(fèi)時(shí)間摸索CPU管線的運(yùn)作方式。

那就意味著工程師只須建立一個(gè)ACE描述檔來定義輸入/輸出介面及以C語言描述的指令意涵，再加上一個(gè)相對(duì)應(yīng)的精簡Verilog檔來描述其邏輯電路，即可利用Custom-OPtimized Instruction deveLOpment Tools (COPILOT) 工具于短短數(shù)分鐘內(nèi)產(chǎn)生具擴(kuò)充指令的CPU和相關(guān)軟件工具鏈。

為SoC提供部分析及監(jiān)測技術(shù)的先鋒企業(yè)UltraSoC則為RISC-V設(shè)計(jì)帶來了更多的支持。

2018年初，該公司宣布推出業(yè)界第一款也是唯一一款專為RISC-V設(shè)計(jì)的商用追蹤編碼器IP，提供了一種實(shí)時(shí)監(jiān)控CPU程序執(zhí)行的機(jī)制。 它對(duì)指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)內(nèi)存訪問進(jìn)行編碼（可選），并輸出一種高度壓縮的追蹤格式。 外部軟件可以隨后獲取此數(shù)據(jù)并使用它來重建程序執(zhí)行流程。 UltraSoC方面表示，他們的RISC-V追蹤編碼器是為符合RISC-V標(biāo)準(zhǔn)而開發(fā)的，同時(shí)提供許多強(qiáng)大的功能，如數(shù)據(jù)和指令追蹤、一系列計(jì)數(shù)器和定時(shí)器以及快速分析描繪工具，使其與實(shí)現(xiàn)基線RISC-V標(biāo)準(zhǔn)要求的開源代替產(chǎn)品明顯不同。

“RISC-VTrace Encoder追蹤編碼器支持32位和64位RISC-V設(shè)計(jì)，該IP塊可與UltraSoC產(chǎn)品組合的其他部分順利集成，支持開放式和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，以將自分析功能置于SoC的核心”，Ultra SoC方面補(bǔ)充說。

在2019年嵌入式世界展上，Ultra SoC宣布，他們的UltraDevelop 2集成開發(fā)環(huán)境（IDE）可用于beta測試。據(jù)了解，這個(gè)發(fā)布于2018年10月的產(chǎn)品集成了調(diào)試、運(yùn)行控制和性能調(diào)優(yōu)功能，可為硬件、固件和軟件的運(yùn)行提供集成化的視圖，以及高級(jí)異常檢測、可視化和數(shù)據(jù)科學(xué)等功能。利用UltraSoC系統(tǒng)級(jí)的片上監(jiān)控和分析基礎(chǔ)架構(gòu)的巨大潛力，為SoC設(shè)計(jì)人員在選擇開發(fā)平臺(tái)時(shí)提供功能和靈活性的最佳組合，并且有能力對(duì)來自RISC-V等供應(yīng)商的20多種處理器架構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行控制，幫助芯片和系統(tǒng)開發(fā)人員提供可操作的洞察力，從而大幅降低開發(fā)成本和縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并改善最終產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

從整個(gè)處理器架構(gòu)市場來看，RISC-V相對(duì)還是比較薄弱，但相信在RISC-V 基金會(huì)的推動(dòng)、以及各大企業(yè)的支持下，我們很快就能看到這個(gè)全新的架構(gòu)在各個(gè)領(lǐng)域大放異彩，這個(gè)產(chǎn)品屆時(shí)也必將給中國芯片產(chǎn)業(yè)帶來全新的局面。