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RISC-V借力IoT“登堂入室” 中国CPU架构又迎发展机遇?

作者:陈炳欣来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2018-05-04 09:16我要评论

新兴处理器(CPU)开源指令集RISC-V的受关注度正在持续上升,从一个在开源社区中受到创客、工程师追捧的指令集架构,经过短短数年发展已经得到谷歌、Microsemi、nVidia、西部数据等一众知名ICT公司的主流支持指令集。受中兴事件影响,发展自主知识产权、掌握核心技术已经成为人们对我国集成电路产业发展的共识,RISC-V为我们提供了一条除x86与ARM架构之外的新选择。

异军突起的RISC-V

RISC-V在当前业界有着非常高的人气值,人们关注着它的各种进展情况。为此,日前赛迪智库举办了“RISC-V技术进展及产业生态研讨”(以下简称“研讨会”),介绍RISC-V的产业现况及其在中国市场的发展。

概括而言,RISC-V是一套CPU的指令集架构。它于2011年由加州大学伯克利分校团队设计和开发。所谓指令集,是指CPU进行运算时的各项指令集合,它定义了数据类型、存储器和寄存器状态等,相当于一个抽象层,构成处理器硬件与其上软件之间的桥梁与接口。由于CPU的各种软硬件操作都是建立在指令集之上的,其与生态环境密切相关,而生态建设又极其艰难,因此指令集在CPU中的作用非常关键。

与当前市场上主流CPU架构相比,RISC-V的独特“魅力”在于它是开源、免费的,而且更加精简。正如OURS公司CEO谭章熹(同时也是RISC-V开创者David Patterson教授博士生)指出:“RISC-V是一套免费的,也是公开的指令集架构,其中没有任何私有化的东西,同时与当前市场上流行的指令集相比,它更加精简。”

以谭章熹的观点来看,RISC-V的诞生与发展是一个关乎创新的问题。当前市场上的主流CPU架构已经被各大公司利用严格的许可证规则牢牢地锁死,同时这些CPU架构经过几十年的发展,被添加了各种各样的内容,显得复杂而臃肿。对于研究者或者创业团队来说,很难支付得起那些许可费用,即使能够负担,他们得到的指令集也过于繁复且受限良多。因此,市场需要一种新的指令集,便于芯片设计者能够自由公开地分享自己的成果。

物联网机遇必须抓住

自诞生以来,RISC-V就受到芯片设计者的喜爱与关注,并且呈现出高速发展的态势。RISC-V基金会已经吸纳了包括谷歌、高通、苹果和特斯拉等主流企业在内的100多家企业会员。近年来,RISC-V在中国市场也取得一定发展,既有华为、中兴等大企业,也有部分中小型企业与创客群体加入RISC-V基金会。

针对RISC-V的长期发展,长虹集团北美中心董事总经理涂强在研讨会上指出:“未来RISC-V得以快速度成长,形成大规模的产业应用,发展机会有两点:一是在物联网领域站住脚,二是在中国市场得以成功发展。”

物联网的未来前景已经得到业界的广泛认同。以感知层采集信息,通过WiFi、NB-IoT、4G/5G网络向云端传送数据,然后在云端存储、处理、判断,进而再将执行命令向边缘网络发送,形成一个闭环式的循环,这是物联网典型的运行模式。“而就物联网的发展趋势来看,智能化是可以明确的方向。在感知层,传感器将不单是被动地采集信息,同时也要对信息进行本地化处理,这就对CPU提出了更高的要求。人工智能的发展,对云端CPU的计算性能也提出更高要求。更重要的是,ARM还没有在这个领域形成一个垄断局面。”涂强指出。

此外,涂强还强调了物联网发展中的安全问题。安全一定会是物联网发展必须重视和解决的问题。但真正的安全在哪里?硬件加密的安全性显然高于软件加密。但是硬件加密的基础是具有安全的架构体系,而真正的安全是透明的指令集。

至于中国市场,由于拥有最大的物联网应用空间,未来的中国物联网用户与企业数量都将极为庞大,将成为任何产品技术发展成长的基础。

在涂强看来,RISC-V正在为处于创新的应用提供新的架构技术,中国就是RISC-V不可忽视的区域市场。立足中国市场,抓住物联网领域芯片安全、接入、智能的特性,开发出智能互联、低功耗、安全可靠的CPU架构,是RISC-V技术成为主流的一个重要机会。而RISC-V相比于传统商业架构,虽是后发,却拥有技术上的后发优势,非常精简,易于实现可编程扩展,也具有成功的潜质。

中国CPU架构或可拥抱“开源”

正是由于RISC-V在物联网领域所拥有的安全、智能特性,以及被看好的发展前景,使人们在x86与ARM架构之外,又看到了另一个中国发展自主知识产权CPU的机会。对此,中科院计算所研究员、先进计算机系统研究中心主任包云岗在研讨会上指出:“中国要发展CPU产业绕不开芯片架构。此前,中国CPU采取了百花齐放的发展方式:SW64、X86、MIPS、PowerPC、Sparc、ARM,市场上活跃的CPU架构在中国都有出现。但是,指令集的百花齐放,严重分散了我国基础软件的开发力量,延缓自主生态的建设,而生态环境的建设是CPU产业能否成功的关键。”

因此,包云岗建议:“中国CPU想要掌握自主技术,就要掌握自主设计与定义的一套指令集架构,同时营造生态圈的支持。借鉴印度的国家处理器计划,他们就是把RISC-V作为国家指令集去推进的。以印度的大学与研究机构为平台,开发一系列处理器芯片,小到微控制器,大到服务器CPU,都以RISC-V为基础架构。”

“从当前发展势头来看,RISC-V很可能像Linux那样成为全世界的事实指令集标准。幸运的是,它是开放的、免费的。遗憾的是,它的发展目前我们并没有太多话语权。作为全世界最大的芯片用户,中国一直希望能把国产芯片产业做大做强,各方都在努力,但思路不同,导致目前‘军阀割据’的状态,整个产业一盘散沙,严重分散基础软件开发力量。这种局面必须要扭转,才能形成在国际上有竞争力的芯片产业。通过完全市场化竞争可以缓慢地达到最终收敛的效果,但这个过程必然会造成无谓的资源内耗。因此,也许有必要再次考虑推行指令集国家标准。”包云岗说。

人们一般认为,从零开始设计一套全新的指令集是一项让人望而却步的工作,但是RISC-V就是从一个“暑期3个月的小项目”开始快速成长起来的。它给中国CPU的发展提供了一个范例。

因此在“研讨会”上,包云岗也介绍了RISC-V的发展经验:首先,RISC-V对自己的技术做了充分的验证,从2011年项目设立到今天,项目团队做了十二次流片。这让合作伙伴充分认识到了该技术可靠性,从而给予RISC-V更高的信任。其次,成立了RISC-V基金会。它把各方力量联合起来,并且以此为基础明确了发展规划。基金会的建立成为RISC-V发展的分水岭。再次,成立RISC-V Workshop交流平台。每年两次RISC-V的研讨会,让会员进行充分交流,可以得到前沿的研究信息。最后是重视宣传,RISC-V发起人David Patterson仅在2015年一年就在全世界做了十几场宣传活动。同时教学科研双管齐下,适合RISC-V发展的生态环境逐步建立起来了。目前为止,RISC-V已经度过艰难的起步阶段,进入快速发展期。

延展知识

RISC-V为何得名?

RISC是指精简指令集,这是与早期的微处理器复杂指令集(CISC)架构相对而言的,精简指令集使得处理器的线程设计非常简单,运行效率更高。

同时,精简指令集也有着相当长的发展历史:早在1981年加州大学伯克利分校就已推出第一代RISC-I架构,其后诞生了一系列RISC架构CPU,以此为基础开发出的芯片,采用5微米工艺,芯片面积约为77平方毫米,主频为1兆赫。这在那个时代已经是一个相当不错的成绩了。其后,RISV-II于1983年诞生,1985年MIPS公司推出第一款商用的RISC芯片,惠普(HP)公司在1986年推出PA-RISC,SUN公司在1987年推出SPARC,摩托罗拉(Motorola)在1988年推出MC88000……直到2015年,加州大学伯克利分校开发的RISC-V异军突起。

因此,RISC-V 的“V”有两层含意:一是从RISC-I开始设计一直到第五代指令集架构;二是代表变化(Variation)与向量(Vectors),完全可以被开放自由使用,扩展弹性十足。


责任编辑:顾鸿儒
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