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免费、开源、易用,RISC-V能否重塑芯片架构格局?丨亿欧专访

唐钰婷
2020-04-22 · 18:18
[ 亿欧导读 ] 芯片架构市场已经几乎被X86和ARM垄断,RISC-V能否从中“撕开”一道口?
RIOS实验室,数据中心,ARM,芯片,RISC-V,x86

作者:唐钰婷,图片来自“特定授权”

文丨唐钰婷

编辑丨王彬

芯片执行计算任务,需要遵循特殊的“规则”。目前,主流的“规则”是我们熟知的X86和ARM,它们分别奠定了PC时代和智能手机时代的芯片市场格局。

但这两套“规则”的主要知识产权属于企业——X86的主要知识产权归Intel所有,ARM的主要归ARM公司所有,其他企业要使用这两套“规则”开发芯片,难免受到Intel和Arm公司的限制。

而随着人工智能等新兴技术的发展,智能化产品越来越多,市场对芯片的需求量也越来越大。行业亟需一个既灵活好用、又免费开源的新“规则”。

在这样的背景下,RISC-V出现了。

RISC-V是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构。而提到精简指令集,就不得不提它的奠基者——David Patterson教授。1981年,在David Patterson教授的带领下,加州大学伯克利分校的一个研究团队起草了RICS-1方案,这是今天RISC架构的基础。

2019年11月,David Patterson宣布:成立专注于RISC-V 研究的实验室——RIOS实验室(RISC-V International Open Source Laboratory),实验室设在加州大学伯克利分校和清华大学联合建立的清华-伯克利深圳研究院(简称:TBSI)。

David Patterson亲自担任RIOS实验室主任,David Patterson的学生谭章熹博士担任联合主任。当前,芯片产业愈发受到重视,RISC-V的发展也因此备受关注。

RICS-V将为芯片产业带来哪些变化,哪些领域将率先受益,RIOS实验室又将发挥怎样的作用?带着一系列的问题,亿欧科创采访了谭章熹博士。

开源:利万物而不争

在西班牙语中,RIOS是“河流”的意思。RISC-V国际开源实验室的角色也像河流一样——汇聚各处的涓涓细流,共同奔向汪洋大海。而RISC-V就像水一样,“利万物而不争”。

谭章熹博士告诉亿欧科创,RISC-V的研发最初源于研究团队自身的真实需求。

2010年,谭章熹博士所在的研究团队启动了一个项目,在为新项目选指令集时,团队发现:主流的指令集,无论是ARM还是X86,都无法满足他们的需要。于是,他们“索性自己搞一套”新的指令集,RISC-V由此诞生

在设计出新的指令集后,团队又发现,在芯片设计领域,还有不少公司和他们遇到了一样的问题,研究团队自身的需求,与市场的需求高度吻合。因此,团队决定将RISC-V完全开放。使用者可以随意使用RICS-V的代码,无需支付授权费用;也可以在原代码上自由修改,几乎不受任何限制。

在谭章熹博士看来,“开源”是一件非常必要,而且“有意思”的事情。

首先,“开源”能够为市场带来更公平的竞争环境

目前,主流芯片指令集架构的知识产权都归企业所有,这些企业势必会借此收取高额的技术授权费用。企业逐利无可厚非,但长此以往,市场就会出现“强者更强,弱者越弱”的情况,一些小项目或者小公司的创新很可能被“扼杀”在摇篮中。

“‘开源’能够保护这些小的群体,照顾到’弱者’的需求,更有利于多元化的竞争。”谭章熹博士说。

其次,“开源”后,市场难以再被几家企业垄断,产业将出现“百花齐放”式的创新

谭章熹博士告诉亿欧科创,免费的确是“开源”的一大好处——能够极大降低研发成本,极大释放了经费相对有限的研究团队和企业的创新潜力。

但“开源”给产业带来的好处,远不仅限于“免费”。

未来开发芯片的方式也可能因此发生改变。”谭章熹博士说。

我们常说的“芯片研发能力”,其实就是指“独立研发微架构的能力”。目前,行业中微架构的数量并不多,因为微架构研发是一项技术含量极高的工作,不是所有的研究团队和企业都有相应的能力。

另一方面,研发人员要设计微架构,就需要用到指令集。但研发人员要用到指令集,就需要支付授权费;此外,在使用上可能还会受到知识产权拥有者的限制,研发人员不得不“带着镣铐跳舞”。

开源后,这些底层技术将从芯片开发设计的限制因素,摇身一变成为支持和赋能的要素。这就好比,原来土地只属于几个“大户”,人们要耕种作物,必须要向几个“大户”缴纳土地使用费。而且耕作时使用的农具还有特殊的要求,使用农具也需要缴纳一定的费用。

而现在,这片土地成为了人们共同拥有的“财产”,每个人都可以选择任意农具,免费在土地上耕作自己想要的作物。如此一来,耕作的成本就会极大地降低,能够参与到耕作中的人也会随之增加,作物的多样性也会更加丰富。

我认为开源最大的意义是:它解锁了许多的隐藏应用。”谭章熹博士告诉亿欧科创,他认为,“开源”的最大受益者是系统架构师。当底层技术不再是阻碍,系统架构师能开发出各式各样的微架构,而且还能随意添加拓展指令集。如此一来,各种细分领域的需求都能被满足。

“开源”的好处不言而喻,RISC-V也不是第一个标榜“开源”的指令集架构,但为什么大家普遍看好RICS-V?

谭章熹博士告诉亿欧科创:“我们是一个非营利性的机构,更多地会从未整个生态系统发展的角度去考虑问题,而不是偏袒某几家企业。”

过去,产业中也出现过类似的“联盟”,但由于受到企业的利益影响,这些联盟往往最终还是走向了封闭,成为了个别企业垄断标准的工具。

为了保持“中立性”,RISC-V基金会将总部从美国迁移到了瑞士。目前世界上仅7个永久中立国,瑞士不仅是世界上首个有国际条约承认的永久中立国,也是最受国际社会认可的中立国。

“我们之所以将基金会迁到瑞士,就是希望RICS-V能够更加多元化,能真正成为一个良性的生态。”谭章熹博士说。

应用:远不止于IoT

保证了“开源”和“中立”后,RISC-V还需要面对来自市场的考验——它好用么?

RISC-V的优势是:精简和灵活。

X86和ARM不支持模块化,指令集数量繁多,且不同架构分支下的指令集互不兼容。而RISC-V的基本指令仅40余条,而且可将不同指令集以模块化的方式组织在一起,并且通过一套统一的架构来满足各种不同应用场景的需求。

这样的灵活性是X86和ARM所不具备的。

RISC-V精简和灵活的特性,恰好适用于当下物联网市场的需要。

首先,物联网是一个公认的“碎片化”市场,有诸多细分领域,目前还没有哪个架构能垄断某个细分市场,因此物联网被这被视为RISC-V的市场“突破口”。

其次,RISC-V简单易用以及模块化的特征,恰好能满足各个“碎片化”市场的定制需求

其次,正因为物联网呈现出“碎片化”的特征,各个细分市场对芯片设计的要求是:速度快、成本低、可定制化

谭章熹博士告诉亿欧科创,基于ARM架构,研发出新处理器的周期大概是24个月,架构真正能转化成成品芯片的周期还需要额外的18到24个月。所以,在物联网这样一个高速发展的产业中,更灵活和易用的RISC-V更适用。

不过,需要注意的是,RISC-V并不是为了物联网产业而专门打造的开源指令架构。物联网只是RISC-V最早落地应用的领域

实际上,RISC-V已经开始在超级计算机中使用。2019年,在波兰举行的EuroHPC峰会披露了欧洲第一颗本土HPC处理器的详细信息。这款HPC将使用RISC-V等技术,并将应用在欧洲本土第一款百亿亿级的超级计算机上。(注:HPC是High Performance Computing的缩写,即高性能计算机群)

在印度,不少印度政府资助的处理器相关科研项目都开始向RISC-V靠拢,RISC-V也被媒体称为印度的“国家指令集”。

再从企业端来看,英伟达已经在产品中尝试RISC-V;数据存储业巨头——西部数据也在去年发布了基于RISC-V的自研通用架构。

可见,RISC-V的“用处”还有很大的想象空间。

谭章熹博士认为:除了物联网以外,RISC-V的另一个可期的落地领域是数据中心。除此之外,未来在加速器、控制器,甚至网络设备上,都有可能出现RISC-V的身影。

根据SemicoResearch的市场调研报告:2018到2025年采用RISC-V架构芯片的数量的CAGR高达146.2%,预计到2025年,采用RISC-V架构的芯片数量将达到624亿颗,主要应用市场包计算机、消费电子、通信、交通和工业。

机会:抓住“第三次浪潮”

目前,RISC-V基金会已经有500多家会员单位,最高级别的会员单位包括RIOS实验室、西部数据、谷歌、英伟达、恩智浦、高通等

除了“免费开源”、“简单易用”等属性外,RISC-V值得被看好的原因,是因为它正好踩在了新一代架构出现的周期节点上。

差不多每隔15到20年左右就会出现一个新兴的架构,这个新兴的架构会适应一个新兴领域。”谭章熹博士说。

上世纪70年代末,Intel生产出了世界上第一款16位的微处理器,同时也开创了X86架构的时代。X86架构后来也“统治”了PC时代。

上世纪80年代中,ARM1问世。在功耗和成本上更具优势的ARM架构,成为了智能手机时代的“霸主”。

2010年,RISC-V出现,此时恰逢物联网产业蓬勃发展,摩尔定律失效。从新架构出现的周期来看,RISC-V刚好踩在了下一代新兴架构出现的时间点上。

对于产业界而言,抓住RISC-V的机遇,就是抓住了芯片架构周期的第三次浪潮。

不可否认的是,作为一个新兴的架构,RISC-V还有诸多不成熟之处。比如缺乏成熟的软件生态,开源规则尚不完善等。但要解决这些问题,还需要一定的时间,X86还是ARM架构也不是一出现就成为“霸主”的,RISC-V也是同理。

在推动RISC-V发展的道路上,RIOS实验室发挥着重要的作用。

谭章熹博士告诉亿欧科创,RIOS实验室有几大目标:一是希望通过具体的开源项目,有组织地完善RISC-V的软硬件生态;二是依托清华-伯克利深圳学院的教育资源和平台,培养更多CPU以及RISC-V方面的高端技术人才;三是希望能为工业界提供合作的机会和平台,推动RISC-V在产业的应用。

本文经授权发布,版权归原作者所有;内容为作者独立观点,不代表亿欧立场。如需转载请联系原作者。

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