華為開發(fā)下一代基于RISC-V的車載MCU

華為意大利研究中心與瑞士蘇黎世理工學(xué)院系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)表了一篇論文《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》透露出華為或許正在開發(fā)下一代基于RISC-V的車載MCU，論文發(fā)表于2023年7月。目前，華為海思已有兩款基于RISC-V的芯片，分別是Hi3731v110和Hi3861，其中前者是一款全球模擬電視用芯片，后者就近似MCU。海思目前還在開發(fā)數(shù)據(jù)中心用RISC-V芯片，可能是AI加速器。

與華為同樣思路的還有瑞薩，瑞薩是全球第一大MCU廠家，也是RISC-V MCU投入力度最大的廠家。早在2021年，瑞薩就有RH850/U2B 汽車MCU采用RISC-V內(nèi)核的DR1000CCPU IP，這款I(lǐng)P來自日本豐田關(guān)聯(lián)公司電裝旗下的NSITEXE公司（成立于2017年，最初是電裝的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，后從電裝剝離）。

瑞薩RH850/U2B內(nèi)部框架

圖片來源：Renesas

DR1000C內(nèi)部框架圖

DR1000C主要是加入了矢量計(jì)算單元。圖片來源：NISTEXE

除了RH850/U2B，瑞薩還有眾多32/64 bit的基于RISC-V內(nèi)核的MCU，包括非車載領(lǐng)域的RZ/Five系列（AX45MP@1.0GHz，附帶SIMD的FPU），語音HMI的R9A06G150，三相電機(jī)控制R9A02G020。

簡單介紹一下RISC-V。RISC-V中，RISC指的是精簡指令集架構(gòu)。指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture）是指一種類型CPU中用來計(jì)算和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一套指令的集合。

指令集架構(gòu)主要規(guī)定了指令格式、尋址訪存（尋址范圍、尋址模式、尋址粒度、訪存方式、地址對齊等）、數(shù)據(jù)類型、寄存器。

指令集通常包括三大類主要指令類型：運(yùn)算指令、分支指令和訪存指令。此外，還包括架構(gòu)相關(guān)指令、復(fù)雜操作指令和其他特殊用途指令。因此，一種CPU執(zhí)行的指令集架構(gòu)不僅決定了CPU所要求的能力，而且也決定了指令的格式和CPU的結(jié)構(gòu)。X86架構(gòu)和ARMv8架構(gòu)就是指令集架構(gòu)的范疇。指令集架構(gòu)依其復(fù)雜性可被分類為復(fù)雜指令集架構(gòu)（CISC，Complex Instruction Set Computer）和精簡指令集架構(gòu)（RISC，ReducedInstruction Set Computer）兩大類。發(fā)展至今，CISC和RISC的界限已變得模糊，二者互吸收了各自的優(yōu)點(diǎn)，變得你中有我，我中有你。

2010 年，RISC構(gòu)思在加州大學(xué)伯克利分校啟動(dòng)，是一個(gè)用于開發(fā)芯片處理器的免費(fèi)、非專有平臺(tái)。RISC的發(fā)源也是在伯克利，但RISC不是開源的。

2015年，RISC-V基金會(huì)成立，旨在建立一個(gè)基于RISC-V ISA的開放、協(xié)作的軟硬件創(chuàng)新者社區(qū)。該基金會(huì)是一家由其成員控制的非營利公司，負(fù)責(zé)指導(dǎo)開發(fā)以推動(dòng) RISC-V ISA 的初步應(yīng)用。

2020年3月，RISC-V基金會(huì)遷往瑞士，解決了受地緣政治干擾的風(fēng)險(xiǎn)。RISC-V是開源的，這意味著 RISC-V 是免許可和免版稅的。RISC-V允許用戶免費(fèi)使用新指令擴(kuò)展ISA并創(chuàng)新RISC-V處理器的微架構(gòu)，而當(dāng)前汽車業(yè)內(nèi)主流的ARM架構(gòu)，要求用戶支付版稅。這使得RISC-V迅速受到眾多廠商的歡迎。

當(dāng)前主流的ARM 需要 IP 核許可批準(zhǔn)，ARM的商品一是指令集，二是內(nèi)核架構(gòu)。不過ARM的內(nèi)核架構(gòu)自然要用ARM的指令集，買了ARM的內(nèi)核架構(gòu)自然就包含ARM指令集，或者也可以單獨(dú)設(shè)計(jì)物理架構(gòu)，而只使用ARM的指令集，如蘋果一直以來都是如此。而高通、華為等則是直接買架構(gòu)。

ARM指令集的費(fèi)用為100萬美元到1000萬美元之間。此外，如果您想更改設(shè)計(jì)中的任何內(nèi)容，將需要另外付費(fèi)，當(dāng)然可以花上千萬美元一次性買斷內(nèi)核架構(gòu)，這就不需要另外付費(fèi)。另外每生產(chǎn)一塊芯片，ARM都要收取1-3%芯片價(jià)格的費(fèi)用。ARM有大約60%的收入來自版稅，40%的收入來自IP授權(quán)。2023財(cái)年ARM的版稅收入只有16.8億美元，僅占芯片價(jià)值的1.7%。不過版稅的優(yōu)點(diǎn)在于一次開發(fā)，一生收稅，舊芯片能帶來持續(xù)收入流。2023財(cái)年中，ARM約46%的版稅收入來自1990-2012年間發(fā)布的產(chǎn)品 。

RISC-V 是簡化ISA自下而上構(gòu)建的，可以處理最新的計(jì)算工作負(fù)載。而RISC-V與擁有數(shù)十年歷史且背負(fù)著遺留的指令專有架構(gòu)（X86和ARM）有很大不同。X86和ARM已經(jīng)持續(xù)運(yùn)行了超30年，為應(yīng)對新應(yīng)用，指令集變得越來越龐大，效率越來越低，ARM早已不是當(dāng)年那個(gè)純粹的精簡指令。

最重要的是X86和ARM都是封閉的，廠家想要更改指令集完全不可能。在強(qiáng)調(diào)互聯(lián)互通的消費(fèi)類電子領(lǐng)域，指令集由一家獨(dú)立公司完全掌控是優(yōu)勢；但在汽車領(lǐng)域是缺點(diǎn)，汽車是嵌入式領(lǐng)域，不用考慮互聯(lián)互通，各品牌之間完全不兼容是正常的，比如特斯拉的自然不會(huì)兼容比亞迪的軟件系統(tǒng)。也就是說，整車廠要掌握指令集才能做出自己的特色和體系，而這一點(diǎn)ARM和X86永遠(yuǎn)無法提供，而目前ARM幾乎壟斷汽車產(chǎn)業(yè)，這樣就造成了汽車芯片高度雷同，頭部廠家市場占有率極高。要打破這種現(xiàn)象，就必須使用RISC-V。

華為的研究工作剛開始，目前還是基于FPGA的研究。華為使用AMD旗下Xilinx的ZynqUltrascale+ FPGA，這款FPGA有4核ARM Cortex-A53，每核心有L1緩存32KiB，L2緩存1MiB，運(yùn)行頻率1.2GHz，還有一個(gè)用于實(shí)時(shí)任務(wù)的ARM Cortex-R5F，RISC-V采用CVA6架構(gòu)。這種設(shè)計(jì)可以對比RISC-V和ARM之間的性能差別。

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

軟件架構(gòu)如上圖，非安全苛刻任務(wù)采用無人駕駛領(lǐng)域常見的ROS2，中間件采用DDS（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)），DDS負(fù)責(zé)管理分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和通信。DDS中間件協(xié)議基于對象管理組織（OMG）標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)布-訂閱模式。DDS已集成到各種關(guān)鍵的汽車平臺(tái)生態(tài)合作體系中，例如AUTOSAR Adaptive和ROS2。DDS提供低延遲數(shù)據(jù)連接、可靠性和可擴(kuò)展的以數(shù)據(jù)為中心的通信。此外，DDS附帶了一組豐富的內(nèi)置服務(wù)質(zhì)量（QoS）策略，可控制DDS行為，如資源消耗和通信可靠性。面向資源極度受限環(huán)境的DDS通過使用OMG DDS-XRCE協(xié)議實(shí)現(xiàn)。這是客戶端到代理協(xié)議，意味著DDS-XRCE客戶端節(jié)點(diǎn)通過外部代理節(jié)點(diǎn)與DDS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。DDS-XRCE非常適合為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)輕量級DDS應(yīng)用。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用企業(yè)版ERIKA，這是一款免專利的汽車OSEK/VDX認(rèn)證的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。官網(wǎng)鏈接：http://www.erika-enterprise.com。

ERIKA主要特性

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

CVA6MCU結(jié)構(gòu)

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

CVA6架構(gòu)

CVA6是一顆具備6級流水、單發(fā)射、順序執(zhí)行的64bitRISC-V CPU，不僅實(shí)現(xiàn)了RV64IMAFDC（RV64GC）指令，也實(shí)現(xiàn)了RISC-V三種特權(quán)等級，因此具備運(yùn)行Linux系統(tǒng)的能力。CVA6是蘇黎世理工學(xué)院與意大利博洛尼亞大學(xué)聯(lián)合的OPENHW機(jī)構(gòu)維護(hù)的開源硬件IP。順便說一句，博洛尼亞大學(xué)是全球最古老的大學(xué)，成立于公元1088年，目前在意大利排名第五。

CVA6實(shí)現(xiàn)了RISC-V的三種特權(quán)模式，分別是機(jī)器模式（M-MachineMode）、監(jiān)督模式（S-Supervisor Mode）、用戶模式（U-User Mode）；具備ITLB、DTLB、PTW實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的快速翻譯；具備可靈活配置的4路組相連L1ICache與L1DCache。官方（即OPENHW）基于22nm-FDSOI流片，運(yùn)行頻率可達(dá)1.7GHZ。

CVA6核心部分僅具有L1Cache，為了提高流水線效率，L1Cache又分為ICache、DCache。 L1ICache的默認(rèn)配置是：

cache size：16Kib；

cache lines：128bit；

Associativity：Four-way set；

Replacement policies：使用LFSR進(jìn)行隨機(jī)替換。

CVA6僅具有L1Cache，但結(jié)合Princeton開源的OpenPiton，可以拓展L2Cache。

CLINTCVA6、Cortex-R5和Cortex-A53的RTOS性能對比

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

上圖，RTOS下表現(xiàn)，RISC-V的CVA6全面勝出。

2023年8月，汽車行業(yè)四巨頭和挪威NORDIC半導(dǎo)體公司聯(lián)合投資建立一家致力于RISC-V的芯片公司，算是后知后覺者了。

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

Zonal或者說SOA時(shí)代，對MCU的運(yùn)算要求越來越高，同時(shí)還要應(yīng)對苛刻的功能安全以及復(fù)雜的操作系統(tǒng)、中間件和虛擬機(jī)，ARM的CORTEX-R系列已明顯力不從心，RISC-V將是未來高性能汽車MCU的首選。