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云计算

贝尔定律丨继微软—英特尔、ARM—安卓之后,谁是下一个计算平台?

贝尔定律认为,每隔10~15年运算平台会发生一次重大演进,运算芯片的系统架构会随着应用市场及商业模式的变化而发生一次重大变革。就像PC时代是英特尔和微软联合构建了Intel+Microsoft生态,而在智能手机时代是ARM+iOS/Android生态一样,在物联网时代也将有新的组合出来。从高通、英特尔、西部数据等半导体公司高度关注,到相关产品相继落地,RISC-V正在成为全球半导体界不容忽视的“小鲜肉”,而且大有未来“挑大梁”的趋势。

物联网时代“挑大梁”者?

RISC-V是一种开源的指令集架构。中国软件行业协会嵌入式系统分会副理事长何小庆介绍,RISC-V不是一款CPU产品。一个CPU支持的指令和指令的字节级编码,就是CPU的指令集(ISA)。ISA在CPU软件和CPU硬件设计者之间,提供了一个抽象层(接口)。不同的CPU家族,例如Intel X86、IBM/Freescale PowerPC和ARM,都有不同的ISA。RISC-V是其中唯一的开源ISA,它起源于加州伯克利大学,采用开源BSD license,任何企业、大学和个人都可以遵循RISC-V架构设计CPU,现在全球已有几十个开源版本RISC-V CPU核。

一个指令集架构有多重要?当指令集与构建计算生态密切相关,其地位就显得至关重要了。芯谋首席分析师顾文军在接受记者采访时表示,其实设计一个指令集架构不难,真正难在生态建设。而生态建设中最昂贵的成本是教育成本(即人们普遍的熟悉程度),以及接受成本(即人们愿意投入的时间),而这两个成本昂贵到无法用金钱造就和购买。这也就是多年来无论是国内还是国外,都存在过一些私有指令集架构,但始终停留在小众市场而无法被广泛接受成为主流指令集架构的原因。RISC-V是一套彻底开放的指令集架构,由于其开放性和先进性,生态发展速度惊人,社区生机勃勃,解决了生态建设中的核心问题。因此,使用RISC-V架构,能够实现繁荣的产业生态。

英特尔公司前全球副总裁、RISC-V基金会中国顾问委员会主席方之熙在接受《中国电子报》记者采访时曾表示:“做芯片不仅仅要解决技术问题,更要解决商业上的问题。”事实上,英特尔在PC芯片和服务器芯片市场上获得的成功,不仅仅体现在技术上,更体现在生态和商业上。

CPU之争其实是生态之争。方之熙进一步表示,大家都知道摩尔定律,但知道贝尔定律的人相对较少。贝尔定律指出:系统架构(CPU+OS)决定运算平台,运算平台决定应用软件生态,伴随半导体技术的发展和应用市场增长的需求,每隔10-15年运算平台会发生一次重大演进,运算芯片的系统架构会随着应用市场及商业模式的变化而发生一次重大变革,伴随其新的编程平台、网络接口、用户界面,会带来新的用户体验和新的商业机会。就像PC时代是英特尔和微软联合构建了(Intel+Microsoft)生态,而在智能手机时代是ARM+iOS/Android生态一样,在物联网时代也将有新的组合应运而生。

如果按照方之熙所言的贝尔定律,每一个计算架构最多只能“各领风骚”10-15年,那么移动时代从2010年前后算起,似乎巅峰期已过,手机市场增速放缓已经释放出信号,那么未来谁会是物联网时代的“挑大梁者”呢?

RISC-V或许是下一个计算生态的“Mr Right”,RISC-V显示出诸多优异性。何小庆表示,RISC-V有三大好处,其一也是最大的优势就是开源和免费。免费意味着RISC-V可以帮助开发者低成本完成CPU设计,如果最终量产,就免去面对版税的纠纷。其二是简单。基础指令集只有40多条,短小精悍的架构和模块化指令集让使用RISC-V技术的芯片设计者,可以开发出很简单的RISC-V CPU。该CPU功耗可以很小,代码密度也比较低。其三是灵活。RISC-V架构通过预留大量的编码空间和4条用户指令,可以帮助用户扩展指令集。这个特性在AIoT和信息安全市场备受关注。

RISC-V发展越来越好,不仅仅是因为业界的大公司大都加入了其基金会, 还有越来越多的国家包括美国DARPA、以色列国家创新局(Israel Innovation Authority)都选择基于RISC-V研制作为全国企业服务的处理平台,这几年印度政府资助的处理器项目不断向RISC-V靠拢,越来越多的国家看到了RISC-V的机会。

就像何小庆在《中国电子报》撰文所言,人们对它已经从“谈芯”走向了“用芯”。今年的德国纽伦堡嵌入式世界展上,许多著名的嵌入式软件和工具公司都开始支持RISC-V,比如德国SEGGER、劳特巴赫、瑞典IAR、Amazon FreeRTOS、嵌入式芯片公司NXP和Microchip,都展示了他们的RISC-V MCU产品。

方之熙表示,RISC-V指令集如果不犯很大错误的话,这个架构应该就是硬件和CPU的未来,RISC-V生态系统将为未来50年的计算设计和创新发展铺平道路。目前看,RISC-V将在以下这些市场率先获得应,一是物联网。二是RISC-V控制器,包括西部数据、英伟达已经在他们的产品中内嵌一个RISC-V CPU来降低成本和功耗,提高安全性和灵活性。三是数据中心,主要用于加速、深度学习,更强调对应用场景的定制化设计。四是增量市场,以智能音箱、智能家居产品最具代表性,这一类应用更强调“边缘计算”能力,对灵活性要求高,遇到市场和技术变化要求能够及时做出调整。RISC-V指令集目前对于手机、PC和刀片式服务器市场来说,还是远远不够成熟的,它更适合碎片化市场。

有人说,高通投资SiFive是为了获得“备胎”,“鸡蛋多放几个篮子里”,不管怎么样,至少这个篮子的分量在全球半导体产业格局中正变得越来越重。

如何抓住RISC-V机会?

RISC-V正在全球不断撒“糖”,如果RISC-V是未来计算50年的“挑大梁者”,那么我们应该做些什么?

我们应该在发展芯片产业的思路上进行调整。不仅要做“人有我有”的东西,更要抓住新的技术变局期,做下一代的新技术。方之熙表示,集成电路产业涉及的领域极广,芯片的生产链很长,每个专业、每个产品、每个技术都有其独特的规律,从上升期、成熟期到下坡期……不要投资处于下坡期的技术,需要把控芯片行业的发展规律,根据国情国力,找到突破口。

顾文军表示,RISC-V的生态正在蓬勃发展,中国企业应该充分看到这一点并更好地利用RISC-V。“RISC-V正好具备开放性,是封闭、独家指令集的最好替代品,使用RISC-V指令集既能与国际接轨,在技术和商业上又最有可能成功,产业意义巨大。”方之熙表示。

在顾文军看来,要想充分利用好RISC-V,中国企业应该参与生态建设。对于处理器领域以及相关生态,过去我们都是跟随者,但对于RISC-V而言,我们起步不晚,与国外差距也不大,因此还有机会。

对于开源技术的贡献和标准制定,方之熙表示,目前中国有不少公司关注到RISC-V。不过目前中国大部分公司仅仅使用开源的RISC-V代码,而在RISC-V开源社区的贡献依然非常少,也没有太多的话语权。方之熙建议,中国企业应该从更高的层次上看到RISC-V的战略意义,及早对运算平台进行布局。

现在越来越多的初创企业采用RISC-V,而且RISC-V非常适合小公司。除了免费,修改外围也可以不上传。但这样既有好处也存在问题,因为大家都可以修改而不上传,就容易面临碎片化的问题,就很难形成广泛接受的通用运算平台。

方之熙表示,如果未来有一个大公司来接手RISC-V,它的发展命运就有点像当年的安卓,由于有谷歌的接手和控制,安卓能维持持续化发展和规范化标准。RISC-V的势头正冉冉升起,如果中国企业通过大力支持RISC-V,共同搭建一个基于“开源架构”RISC-V的芯片公共服务平台,在物联网时代就可能获得逆袭。

目前,面对RISC-V,包括美国、以色列、印度等国家,已经从更高层给予了或是政策或是专项资金引导的支持。顾文军表示,中国企业发展RISC-V,要重视生态体系的构建,既要做到有相应的IP和设计工具供应,又要做到有下游客户配合采用,还要做到学校、科研院所有相关人才的输出。

方之熙表示,RISC-V是一个开源架构,RISC-V基金会是一个非盈利组织,目前在上面运行的只是GCC、Linux等基本软件,缺少系统级软件的支持,这个问题需要解决,RISC-V基金会董事会成员和会员公司也都意识到了这一点。虽然最近重点增加了对嵌入式和计算发行版的Linux操作系统支持,但要支持更多的系统软件,离不开资金的支持。

中国应该积极拥抱应用定义的新时代。一方面摩尔定律的终结表示一个新的体系结构的时代即将来临,也催生了面向领域架构(DSA,Domain Specific Architecture),即通过设计针对特定领域的架构来更高效的解决问题。另一方面在物联网时代,要满足场景的多样性,满足客户的体验和需求,需要软硬结合更加紧密,进而带来对架构需求的多样性。

此外,越来越多拥有用户和场景的互联网公司、应用公司、系统公司正在通过顶层分析定义自己的芯片。而RISC-V在设计初衷就是为了满足未来需求,吸收了过去架构的优点摒弃了过去架构的弊端,最终设计了一套便于裁剪和扩展的指令集架构。用户可以根据自己实际需求通过配置和扩展来定制满足自己的处理器内核,比如智能传感器上,只需要配置RV32EC的指令集架构,而针对高性能的需求场景则可以配置成为RV32IMFDC等。

通过类似芯来科技内核的NICE方案,方便地扩展自定义指令,在处理器内核上增加加速单元,以及通过程序实现和调用这些指令,可以达到满足产品差异化的需求,并迎合面向领域架构应用定义芯片的趋势。

责任编辑:马利亚


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