RSIC-V正面臨哪些挑戰(zhàn)？

（原文來自半導(dǎo)體Chaney觀察翻譯自“Semiconductor Emgineering"，本文作為轉(zhuǎn)載分享，謝謝）

RISC-V正進(jìn)一步進(jìn)軍主流市場(chǎng)，在眾多設(shè)計(jì)領(lǐng)域嶄露頭角，并獲得了越來越多的芯片制造商、工具供應(yīng)商、大學(xué)和代工廠的支持。大多數(shù)情況下，它被用作一種補(bǔ)充的處理器，而非其他處理器的替代品，但這在未來可能會(huì)改變。

對(duì)于芯片制造商而言，RISC-V特別具有吸引力的是開源。RISC-V指令集架構(gòu)（ISA）在本世紀(jì)初開始在加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)，可通過伯克利軟件分發(fā)（BSD）許可證獲得，它允許以最小的限制廣泛分發(fā)設(shè)計(jì)。這對(duì)于開發(fā)原型的初創(chuàng)公司來說尤其適用，但也適用于高度特定的應(yīng)用，如安全協(xié)處理器，因?yàn)樗脑创a可以調(diào)整。此外，它在中國(guó)等市場(chǎng)表現(xiàn)良好。在中國(guó)，全國(guó)都在努力降低半導(dǎo)體貿(mào)易逆差，以及芯片的IP成本。

大多數(shù)支持者欣然承認(rèn)，在RISC-V對(duì)市場(chǎng)上 已有的處理器核心構(gòu)成嚴(yán)重威脅之前，它還有很長(zhǎng)的路要走。為特定的應(yīng)用開發(fā)軟件和微架構(gòu)需要時(shí)間，而RISC-V基金會(huì)自2015年才成立。這一切使得RIS C-V架構(gòu)成為協(xié)處理器的一個(gè)有趣選擇，但并不一定是商業(yè)設(shè)計(jì)中的主要處理元素。事實(shí)上，我們尚不清楚RISC-V是否會(huì)真正取代一些領(lǐng)先的處理器架構(gòu)。但它肯定會(huì)在那些成熟的處理器旁邊找到立足點(diǎn)，隨著RISC-V架構(gòu)和軟件的成熟，它的角色只會(huì)越來越重要。

Microsemi公司FPGA營(yíng)銷總監(jiān)、RISC-V基金會(huì)發(fā)言人Ted Marena表示：“看看市場(chǎng)就知道，x86不會(huì)消失，ARM架構(gòu)也不會(huì)消失。參考RISC-V的方式，以及諸多客戶對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的看法，我們可以得出結(jié)論，RISC-V是一種選擇。它可以實(shí)現(xiàn)人們可能需要的創(chuàng)新水平。有很多人不需要它，但他們還有很多選擇。 但對(duì)于那些需要更高級(jí)別功能的人而言，RISC-V正是填補(bǔ)空缺的地方?！?/p>

ARM、MIPS、Synopsys（ARC）和Cadence（Tensilica）已經(jīng)成功推廣了各自的ISA，以及一整套工具和軟件，但它們阻止了這些架構(gòu)的擴(kuò)展。ARM和MIPS憑借其處理器在移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。此外，每一種處理器都有集中的生態(tài)系統(tǒng)和OS/中間件的首選項(xiàng)。

Imperas公司首席執(zhí)行官Simon Davidmann表示：“有了Synopsys的ARC和Cadence的Tensilica，他們鼓勵(lì)擴(kuò)展，并且有方法來幫助用戶解決這個(gè)問題。他們?cè)诓恍枰罅可鷳B(tài)系統(tǒng)支持的特定音頻和DSP市場(chǎng)上取得了成功。”

另一方面，Davidmann指出，RISC-V的設(shè)計(jì)旨在擴(kuò)展，生態(tài)系統(tǒng)正在與商業(yè)工具一起發(fā)展，以協(xié)助設(shè)計(jì)和驗(yàn)證這些擴(kuò)展。RISC-V采用者瞄準(zhǔn)了AI、ML和物聯(lián)網(wǎng)等尚未建立OS/中間件首選項(xiàng)的新興市場(chǎng)。每種架構(gòu)都有許多細(xì)分市場(chǎng)。

圖1：SiFive的RISC-V Linux-ready架構(gòu)。 （來源：SiFive）

OneSpin Solutions公司技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理Sergio Marchese對(duì)此表示贊同：“服務(wù)公司和EDA供應(yīng)商有很多機(jī)會(huì)提供量身定制的解決方案，以適應(yīng)開放的、可互操作的設(shè)計(jì)開發(fā)框架，工程師可以選擇一流的解決方案并無縫部署。請(qǐng)?jiān)O(shè)想，如果擁有了開放的、正式的RISC-V ISA規(guī)范，并使用它在硬件實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單或復(fù)雜微架構(gòu)的驗(yàn)證中提供前所未有的嚴(yán)格性和自動(dòng)化水平，這該有多好?！?/p>

但是，供應(yīng)商也將在其使用的RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的所有部分對(duì)解決方案的優(yōu)點(diǎn)展開競(jìng)爭(zhēng)，無論是涉及IP、軟件工具還是EDA。

西門子Mentor事業(yè)部設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)部營(yíng)銷總監(jiān)Neil Hand表示：“RISC-V建立方式的美妙之處在于，人們可以選擇開拓一個(gè)有利可圖的市場(chǎng)，或直接提供競(jìng)爭(zhēng)解決方案。玩得好才是唯一的選擇?！?/p>

但并非每個(gè)人都同意這個(gè)觀點(diǎn)。Breker Verification Systems首席營(yíng)銷官Dave Kelf表示：“RISC-V基金會(huì)的一些人認(rèn)為，RISC-V會(huì)與ARM直接展開競(jìng)爭(zhēng)。”

Kelf表示：“如果我們看看RISC-V指令集架構(gòu)相對(duì)于ARM和其他商業(yè)處理器供應(yīng)商的開放性質(zhì)，就很容易明白其中的原因。不過，從市場(chǎng)的實(shí)際情況來看，在不久的將來，RISC-V不太可能取代ARM在其任何核心業(yè)務(wù)中的地位。與ARM相比，RISC-V有一個(gè)有趣的優(yōu)勢(shì)，它能夠擴(kuò)展指令集，同時(shí)仍然使用標(biāo)準(zhǔn)化的工具流。這使得它與Tensilica和ARC等可擴(kuò)展的處理器相比更具競(jìng)爭(zhēng)力，并取代了內(nèi)部處理器?？纯茨壳肮緝?nèi)的項(xiàng)目，正是這些應(yīng)用已經(jīng)用上了RISC-V。到目前為止，它還沒有與ARM正面交鋒。然而，開放的ISA的威脅一定會(huì)讓ARM感到緊張，而ARM公司迅速刪除了它之前發(fā)布的一個(gè)網(wǎng)頁表明，情況可能確實(shí)如此?！?/p>

RISC-V最適合的領(lǐng)域

對(duì)于一些工程團(tuán)隊(duì)而言，使用基于RISC-V的處理器實(shí)現(xiàn)定制的承諾是很有吸引力的，許多人正在使用RISC-V來取代內(nèi)部的專用加速器，這樣他們就可以利用軟件生態(tài)系統(tǒng)，因?yàn)镽ISC-V具有高度可擴(kuò)展性。Kelf指出，這些加速器通常對(duì)用戶是隱藏的，而ARM內(nèi)核是暴露給軟件開發(fā)人員的。

Microsemi公司的Marena以Western Digital為例，說道：“他們想要一種特殊的總線和接口。對(duì)于他們的情況，則需要一些超出標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)的東西。處理器在很多方面都做得很好，但有些事情它們做得不太好。所以，當(dāng)你尋求特殊功能，想要下一級(jí)別的創(chuàng)新的時(shí)候，RISC-V便有了用武之地?！?/p>

在硬件安全方面也是如此。人們通常認(rèn)為開源硬件是更安全的，因?yàn)樗怯筛嗟娜藶楦嗟慕K端應(yīng)用開發(fā)的。

Rambus公司首席技術(shù)官M(fèi)artin Scott表示：“物聯(lián)網(wǎng)是非常危險(xiǎn)的生態(tài)系統(tǒng)，需要保護(hù)。從芯片到云，以及中間的任何地方，都存在漏洞。設(shè)計(jì)中可能存在固有漏洞，這些漏洞連接到不安全的臨時(shí)全球網(wǎng)絡(luò)和軟件棧。有很多不同的流程（包括業(yè)務(wù)流程和安全流程）都需要管理，沒有中央機(jī)構(gòu)或中央標(biāo)準(zhǔn)。”

斯科特說，有一些實(shí)用的方法來處理硬件安全問題，例如使用安全層。但他補(bǔ)充說，開源的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，人們能夠共享關(guān)于漏洞在何處出現(xiàn)以及如何解決這些漏洞的信息。“我們使用RISC-V的原因是，我們可以操作ISA以保證安全。這非常重要。微架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和架構(gòu)本身一樣重要，因?yàn)閺呐月饭舻慕嵌葋砜矗圆煌绞酵瓿傻牡刃Чδ軐?shí)現(xiàn)可能會(huì)產(chǎn)生非常不同的安全問題。”

這正是RISC-V目前正在尋找用武之地的領(lǐng)域。ARM公司嵌入式和汽車戰(zhàn)略副總裁Tim Whitfield指出，器件正在向更異構(gòu)化的方向轉(zhuǎn)變，專用處理器也是如此?！巴ㄓ玫挠?jì)算方式會(huì)變化嗎RISC-V圍繞該答案所做的創(chuàng)新是好的。專家們一直在深度嵌入式領(lǐng)域使用RISC-V，它正在取代執(zhí)行非常專業(yè)任務(wù)的專用內(nèi)核。這意義重大，因?yàn)槟憧梢造`活地操作架構(gòu)，去做一些瑣碎的工作，構(gòu)建接口。這是目前RISC-V非常適合的地方。”

但UltraSoC首席執(zhí)行官Rupert Baines表示，考慮到企業(yè)在代碼、指令集和架構(gòu)方面的巨額投資，RISC-V還可能通過專有架構(gòu)獲得青睞?！傲硪粋€(gè)方面是臨界質(zhì)量，開發(fā)維持低于臨界點(diǎn)（critical mass）的東西可能非常昂貴。對(duì)于像英偉達(dá)這樣的公司，他們有自己完全定制的東西，現(xiàn)在他們已經(jīng)擁有了RISC-V。他們受益于所有的工具和編譯器，這仍然是他們自己的定制，但他們只是降低了開發(fā)成本，因?yàn)樗麄兛梢岳闷渌囊磺?。?/p>

Baines說，Andes和Codasip等其他公司正在提供基于RISC-V的內(nèi)核，并且保持其業(yè)務(wù)模式不變——它們授權(quán)使用內(nèi)核和開發(fā)環(huán)境，但由于他們使用通用ISA，所以它們可以利用世界其他地方的投資，達(dá)到臨界點(diǎn)（critical mass）。

基于RISC-V的處理器已經(jīng)與SoC中的ARM處理器并駕齊驅(qū)，Whitfield希望這種情況能像其他架構(gòu)一樣繼續(xù)下去?！捌渌軜?gòu)已經(jīng)存在，并將永久存在，無論是提供了人們所需要的類似的架構(gòu)靈活性的Tensilica，還是RISC-V處理器。它們都與ARM應(yīng)用處理器和ARM嵌入式處理器共存。”

Davidmann 表示，實(shí)際上，大多數(shù)不只有一個(gè)核心的SoC往往擁有較大的多核應(yīng)用處理器（如Arm或MIPS）運(yùn)行主操作系統(tǒng)，如Linux；周圍有較小的“minion”處理器（如Andes或其他RISC）運(yùn)行RTOS和其他內(nèi)核，或是裸機(jī)，以加速應(yīng)用的性能。

Whitfield補(bǔ)充道：“你必須記住RISC-V是一個(gè)架構(gòu)，到頭來就是一張紙。Andes、Codasip，以及其他公司將建立一個(gè)微架構(gòu)。這既昂貴又困難。ARM不僅僅是CPU架構(gòu)，還是一家IP公司和一個(gè)系統(tǒng)解決方案軟件生態(tài)系統(tǒng)。所以，我們可以共存，這是一種“贏家通吃”的死亡競(jìng)賽——這絕對(duì)不是零和游戲。其他架構(gòu)一直都有空間。在有技術(shù)意義的地方，我看到了深度嵌入的專有類型。也許將來會(huì)有別的東西。ARM沒有理由不以某種方式復(fù)制同樣的優(yōu)點(diǎn)。處理器可能會(huì)有不同的未來，ARM必須開發(fā)不同的IP來填補(bǔ)這個(gè)空白。”

缺少的東西

為了使RISC-V在商業(yè)基礎(chǔ)上真正起飛，我們需要工具和軟件，以及未來SoC設(shè)計(jì)在處理器ISA、IP供應(yīng)商和軟件棧方面將越來越異構(gòu)的理解。

Davidmann表示：“行業(yè)需要新的先進(jìn)工具來建模、模擬、移植軟件、開發(fā)和調(diào)試新軟件。驗(yàn)證這些新型異質(zhì)多核系統(tǒng)的正確運(yùn)行將是未來的核查預(yù)算中的很大一部分?！?/p>

Mentor事業(yè)部的Hand表示：“還需要一種一致的方法來測(cè)試基于RISC-V的處理器的合規(guī)性，不包括擴(kuò)展，并對(duì)包含一些RISC-V技術(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證。”

Breker公司的Kelf指出，最大的問題之一是開放式指令集架構(gòu)與開源核心或軟件工具之間的混淆。“RISC-V是一個(gè)開放的ISA，但這并不一定意味著開源實(shí)現(xiàn)。這就導(dǎo)致了一些問題，例如個(gè)體實(shí)現(xiàn)是否符合ISA標(biāo)準(zhǔn)，因此，驗(yàn)證是一個(gè)大問題，尤其是當(dāng)ISA被擴(kuò)展時(shí)。確實(shí)有內(nèi)核、軟件工具和RISC-V的其他方面的開源實(shí)現(xiàn)，但這些功能的商業(yè)準(zhǔn)備是否成熟還存在疑問。人們需要更多的商業(yè)產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品具有很強(qiáng)的魯棒性，公司完全會(huì)冒險(xiǎn)使用它們的SoC。當(dāng)然，SiFive是開發(fā)更強(qiáng)大實(shí)現(xiàn)的公司之一。”

對(duì)此，SiFive認(rèn)為，開發(fā)復(fù)雜芯片的成本很高，這對(duì)芯片行業(yè)而言是不健康的。

SiFive公司首席執(zhí)行官Naveed Sherwani表示：“這一切都關(guān)乎半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的生存。如果開源是一個(gè)棧，你可以免費(fèi)使用任何可用的東西，而且可以隨時(shí)購(gòu)買一個(gè)更好的版本。但這意味著你可以基于開源組件構(gòu)建原型。構(gòu)建芯片所需的所有IP都是免費(fèi)的。如果你的芯片投入生產(chǎn)，那么你就得支付IP的費(fèi)用，無論價(jià)格貴賤?，F(xiàn)在你所做的就是降低生產(chǎn)原型的成本。開發(fā)芯片的成本很高，沒有風(fēng)險(xiǎn)投資公司會(huì)資助，也沒有年輕人會(huì)嘗試。如果今天的成本是1000萬美元，我希望看到它變成100萬美元。這包括所有IP、所有SerDes、所有DDR控制器。 這就是目標(biāo)，就是硬件開源的意義。”

軟件的挑戰(zhàn)

異構(gòu)系統(tǒng)也面臨著軟件方面的挑戰(zhàn)，這些問題尚未得到解決。

Baines表示：“從歷史上看，在異構(gòu)系統(tǒng)中，大多數(shù)工具都是為了應(yīng)對(duì)開放式架構(gòu)而設(shè)計(jì)的，所以你最終得到了一系列孤島，然后就會(huì)在各種不兼容環(huán)境之間切換，每個(gè)環(huán)境都是特定的?！?/p>

這不僅限于RISC-V。Whitfield表示：“在不同的架構(gòu)中，有GPU和視頻加速器以及各種加速部件，這對(duì)軟件而言是個(gè)問題。我們看到的許多內(nèi)容都是深度嵌入式應(yīng)用，它們有自己的生態(tài)系統(tǒng)，或者沒有開放的可編程性。我認(rèn)為我們還沒見過有兩個(gè)應(yīng)用處理器的世界，也沒見過可編程的特定的加速器，旁邊帶著一個(gè)ARM芯片?！?/p>

Baines認(rèn)為這些系統(tǒng)確實(shí)存在，但表示它的規(guī)范案例一直是應(yīng)用處理器和某種調(diào)制解調(diào)器芯片中的DSP?！罢{(diào)制解調(diào)芯片一直都有這種架構(gòu)，而且一直都非常困難，因?yàn)槟阌幸粋€(gè)ARM和一個(gè)CEVA，調(diào)試這種組合很困難。”

這就解釋了為什么唯一真正的粗粒度卸載引擎一直是圖形和視頻，因?yàn)樗鼈兡軌虬l(fā)展自己的生態(tài)系統(tǒng)，并且有單獨(dú)的引擎支持它的優(yōu)點(diǎn)。Whitfield 表示：“我們?cè)贏I中看到了這一點(diǎn)，我們開始看到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，所以這將是另一個(gè)粗粒度卸載引擎。利用RISC-V所提供的細(xì)粒度材料，我們將非常有趣地看到，世界是否真的需要它走向大眾市場(chǎng)。你已經(jīng)在Tensilica和ARC中見過了，有些人需要這種專業(yè)化，但大部分都來自GPU。你離開CPU通用計(jì)算，進(jìn)入加速器，然后得到一個(gè)架構(gòu)修訂版，修訂版說因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)的問題，會(huì)加入一些東西使它成為通用架構(gòu)。如果你將其重新構(gòu)建到架構(gòu)中，則可以更輕松地完成。直到現(xiàn)在都是這樣。不過，摩爾定律總會(huì)終結(jié)，只有少數(shù)幾個(gè)特定領(lǐng)域的架構(gòu)會(huì)保留下來。這會(huì)發(fā)生嗎？”

Mentor事業(yè)部的Hand對(duì)此表示贊同：“軟件方面總是個(gè)問題。每個(gè)核心都有不同的工具鏈，因此使用這些系統(tǒng)并管理跨系統(tǒng)部分的任務(wù)非常復(fù)雜。如果許多專有加速器被基于RISC-V的加速器取代，那么這將有助于創(chuàng)建一個(gè)共同的生態(tài)系統(tǒng)。今天的情況并非如此，因?yàn)槊總€(gè)RISC-V供應(yīng)商都有自己對(duì)工具鏈的定義?！?/p>

驗(yàn)證問題

另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何模擬和調(diào)試這些系統(tǒng)。Davidmann表示：“如果你從你的IP提供商那里獲得工具，這些工具可以很好地工作在他們的IP上，但在試圖讓它與其他供應(yīng)商的IP協(xié)同工作時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)問題。要為包含來自各種IP供應(yīng)商客戶的IP的SoC開發(fā)軟件，你需要確保它們的模型、模擬器、調(diào)試、驗(yàn)證、分析，以及分析工具可以與許多供應(yīng)商和許多ISA協(xié)同工作?！?/p>

對(duì)于現(xiàn)在想要采用RISC-V的用戶而言，選擇是有限的。隨著IP和工具提供商開發(fā)出解決方案，情況將發(fā)生變化。

Baines表示：“外設(shè)、硬件、一些工具和生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)生變化，這取決于你采用的時(shí)間有多早，在這方面是否適應(yīng)，或者是否要再等6個(gè)月，直到它們更成熟。對(duì)于深度嵌入式，很多人都說已經(jīng)非常成熟了。如果你正在設(shè)計(jì)一個(gè)深度嵌入式系統(tǒng)或其他東西，那將是一件非常明智的做法。轉(zhuǎn)向應(yīng)用處理器和面向客戶的Linux類處理器是目前正在開發(fā)的技術(shù)，因此還不夠成熟。”

跨核心協(xié)調(diào)許多不同的任務(wù)，然后在簽核之前驗(yàn)證這些任務(wù)是至關(guān)重要的。Mentor事業(yè)部的Hand表示：“這些系統(tǒng)的復(fù)雜性正在增加，并伴隨著相互依賴的關(guān)系。此外，許多新應(yīng)用涉及到功能安全至關(guān)重要的領(lǐng)域。因此，我們不僅需要確保某些功能正常，還需要確保其正常失效（對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言，這是一個(gè)全新的領(lǐng)域）?！?/p>

法律問題

最重要的是，當(dāng)一個(gè)架構(gòu)被應(yīng)用到特定的市場(chǎng)時(shí)，圍繞專利還有很多問題。

Whitfield表示：“有了RISC-V架構(gòu)，然后才會(huì)有微架構(gòu)的CPU。我感興趣的是如何從架構(gòu)到微架構(gòu)。我認(rèn)為有三條路線。要么拿一張白紙，自己從頭開始設(shè)計(jì)，這是非常專業(yè)的方法。世界上有一些團(tuán)隊(duì)能夠做到這一點(diǎn)，尤其是當(dāng)你把它遷移到應(yīng)用類的時(shí)候。你從某個(gè)地方獲取開源版本，然后修改并使用它。然后是關(guān)于代碼來源的對(duì)話——誰擁有它，它來自哪里，如果你正在談?wù)摴δ馨踩桶踩?，那么功能安全就是從?guī)范到實(shí)現(xiàn)所要全面了解的東西?！艺谧鲂枨蟾櫍瑔栴}很多?！阍撊绾谓鉀Q？或者你去第三方IP供應(yīng)商——Andes或Codasip，然后，模型就與ARM非常相似，他們會(huì)為你解決這些問題。但那時(shí)，自由的吸引力必然會(huì)消失，因?yàn)橛腥送度肓舜罅抠Y金來達(dá)到這一點(diǎn)?！?/p>

這導(dǎo)致了涉及IP保護(hù)和專利侵權(quán)的挑戰(zhàn)。

Whitfield表示：“從模式的角度來看，架構(gòu)是干凈的，但只要你進(jìn)入微架構(gòu)領(lǐng)域，就會(huì)有英特爾和高通和ARM，還有很多其他公司，他們自己可能不會(huì)去靠近那里。專利巨人花了很多時(shí)間來保護(hù)我們的合作伙伴，所以這是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)你構(gòu)建一個(gè)微架構(gòu)時(shí)，你幾乎肯定會(huì)在某個(gè)地方違反一些微架構(gòu)模式，此時(shí)，專利巨人就會(huì)出現(xiàn)。如果你從開源架構(gòu)中選擇了它，或者自己開發(fā)了它，誰來保護(hù)你呢？”

另一方面，當(dāng)基于指令集架構(gòu)的衍生產(chǎn)品數(shù)量巨大時(shí)，保護(hù)IP變得更加困難。

結(jié)論

雖然RISC-V繼續(xù)受到關(guān)注，但工具和軟件存在缺陷，并且涉及到所有可定制架構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。這可能會(huì)限制RISC-V在設(shè)計(jì)中的使用方式和位置，至少在短期內(nèi)如此。但是足夠的市場(chǎng)激勵(lì)和機(jī)會(huì)將使RISC-V成為未來幾年值得關(guān)注的技術(shù)，特別是芯片越來越多地利用架構(gòu)作為提高性能和降低功耗的最佳方式，而不是依賴于相同的處理器越來越密集地實(shí)現(xiàn)。