AI芯片的十字路口：RISC-V能帶來下一代芯片嗎？

在芯片領(lǐng)域，X86架構(gòu)可以說定義了PC時代；Arm則在移動端一枝獨秀。但隨著芯片自主化、定制化的需求增長，開源、高效的新興架構(gòu)RISC-V（第五代精簡指令集架構(gòu)）正在吸引大量關(guān)注，很可能在未來與X86、Arm呈現(xiàn)三足鼎立的格局。

今年6月，蘋果在WWDC大會上正式宣布將逐步轉(zhuǎn)向自研Arm架構(gòu)，打造更加高效、低能耗、適應(yīng)自己的軟硬件生態(tài)。這是未來趨勢的一個注腳：越來越多的公司希望能有更適應(yīng)自己產(chǎn)品和需求的獨特芯片，而具有精簡、開源、反應(yīng)速度快等特點的RISC-V，恰恰可以提供這樣的可能性。

它打破了過去X86、ARM架構(gòu)高價授權(quán)費、定制化困難的慣例，大到三星、高通，小到各類創(chuàng)業(yè)公司都在使用其開源架構(gòu)進行芯片開發(fā)。行業(yè)里評價，RISC-V可能會成為“硬件領(lǐng)域的Linux”。

在各大巨頭紛紛入局，新一代芯片生態(tài)不斷發(fā)展之際，鈦媒體了解到，一家芯片公司睿思芯科走在了這條路的前列。其創(chuàng)始人譚章熹是RISC-V奠基人David Patterson教授的直系弟子，早在2017年就已經(jīng)開始著手研發(fā)產(chǎn)品。他帶領(lǐng)著經(jīng)驗豐富的半導體研發(fā)團隊，打造出了一套基于RISC-V的芯片解決方案。

睿思芯科開發(fā)的ORV32內(nèi)核相對相似產(chǎn)品的性能優(yōu)勢，圖表由睿思芯科提供

“RISC-V的生態(tài)固然值得關(guān)注，最重要的仍是在這個基礎(chǔ)上做出具有落地能力的完整芯片解決方案。睿思芯科的產(chǎn)品包括全自主設(shè)計CPU內(nèi)核到SiP芯片封裝，針對AIoT時代的需求，完成了功耗、速度、通用性、安全、定制化等多個領(lǐng)域的優(yōu)化?！弊T章熹表示。

看好垂直領(lǐng)域需求，瞄準AIoT市場

睿思芯科的產(chǎn)品邏輯來自于，在高度離散化的AIoT時代，不同企業(yè)對于芯片的需求也在大幅改變——過去，芯片大部分用X86或ARM架構(gòu)，在IP授權(quán)方面有較為嚴格的限制，很難根據(jù)各個企業(yè)的不同需求完成定制，同樣在PC或移動端時代，許多產(chǎn)品的芯片功能需求也并沒有太大差異。隨著AIoT逐漸進入我們的生活，不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對于功耗和體積較為敏感，應(yīng)用則往往更“?！?，不需要一個面面俱到卻能耗大、復雜的芯片，對定制化需求更高。AI芯片則往往對于優(yōu)化大規(guī)模數(shù)據(jù)運算有強烈需求，需要通過定制化指令集來進行效能提升。

而RISC-V的可定制化、精簡、高效低能耗等特性，恰好契合了這些需求變化。

睿思芯科的產(chǎn)品線涵蓋高效、低能耗的各類芯片。目前發(fā)布的Pygmy為單核32位MCU，包含自己設(shè)計的RISC-V內(nèi)核ORV32，針對高效、低耗能的IoT場景，比如家電互聯(lián)、電池供電等。

Pygmy實物圖

“試想，在IoT時代，假如用戶數(shù)小時就得給設(shè)備充電，幾乎是不太可能有真正的應(yīng)用場景的，這也就意味著，高效、低功耗的芯片成為了IoT市場走向大眾的剛需?！弊T章熹說道。他在閃存和硬件加速器領(lǐng)域擁有20多份專利，曾領(lǐng)導開發(fā)的產(chǎn)品Pure FlashBlade 2017年榮獲AI硬件領(lǐng)域的AIconics最佳創(chuàng)新獎，目前Tesla，奔馳F1賽車隊等都在使用它?？梢哉f，這是國內(nèi)在RISC-V領(lǐng)域最有經(jīng)驗的團隊之一。

睿思芯科的副總裁王衛(wèi)，曾任Juniper大中國區(qū)技術(shù)總監(jiān)、大中國區(qū)總裁，其他團隊成員擁有多年半導體企業(yè)專業(yè)經(jīng)驗及大規(guī)模流片實踐經(jīng)驗。在其硅谷美研中心，團隊成員多數(shù)擁有名校背景，具有RISC-V和AI芯片領(lǐng)域優(yōu)秀的研發(fā)實力。

此前，對于AI領(lǐng)域的芯片來說，性能與適用性往往不可兼得。

過去的芯片架構(gòu)往往將AI模塊放在CPU外，導致效率較低。如今，針對AI需求設(shè)計的ASIC芯片雖然能針對單個算法應(yīng)用做到大幅度加速，但適用性較差。

而基于GPU來打造的AI芯片，適用性很強，然而能效比卻常常過低。無法使用端側(cè)高能效，低功耗的場景。

正是因此，睿思芯科瞄準的是“在高性能與通用性中找到平衡”，完全以RISC-V來開發(fā)，通過CPU結(jié)合向量擴展指令集，完成硬件加速。這也意味著不僅能在嵌入式應(yīng)用達到laptop級別性能，還可以比較容易地應(yīng)用在AIoT及AI的各個領(lǐng)域中。

軟硬件一體開發(fā)、做芯片界的蘋果

除了睿思芯科以外，市面上RISC-V相關(guān)的芯片企業(yè)也正蓬勃發(fā)展，其中有一部分企業(yè)用不同的架構(gòu)進行混合研發(fā)，或是專注于ASIC芯片，方向各異。

“開源RISC-V出現(xiàn)后，市面上有了很多基于各種開源RISC-V實現(xiàn)的產(chǎn)品。但是開源處理器的實現(xiàn)質(zhì)量參差不齊，就與Android tablet一樣，功耗，性能從端到端的表現(xiàn)都會有比較大的差異。睿思的RISC-V則是像apple產(chǎn)品從軟件支持，內(nèi)核微架構(gòu)設(shè)計，SoC系統(tǒng)優(yōu)化，以及到封裝提供更好的用戶體驗。”譚章熹表示。

睿思芯科擅長系統(tǒng)架構(gòu)，自主設(shè)計ORV系列CPU架構(gòu)，保證性能；其Pygmy系列產(chǎn)品再集成不同組件，通過SIP（System in a package）方式進行封裝。目前，睿思芯科有完整的產(chǎn)品交付能力，可以提供從RISC-V內(nèi)核到SiP形式交付特定用戶系統(tǒng)的解決方案。

以O(shè)RV32（基于RISC-V實現(xiàn)的32位內(nèi)核）為例，它在性能和功耗上就和市面上其他開源RISC-V芯片有較大差別。

ORV32功耗相對相似產(chǎn)品較低，圖片由睿思芯科提供

ORV32內(nèi)核在多個測試平臺上性能對比結(jié)果顯示，ORV32在Dhrystone 上比同行中出色芯片處理速度快46%；在CoreMark上測試，高出目前最快的同類型RISC-V芯片還多18%。

睿思芯科提供的對比分析顯示，其自主設(shè)計的RISC-V芯片，在通用CPU性能基準測試中表現(xiàn)出色，對比幾款不同的主流RISC-V開源芯片，性能普遍超出50%以上。

另一方面，睿思芯科的產(chǎn)品也很好地反應(yīng)出可擴展的特性——這正是RISC-V指令集的優(yōu)勢——從軟件到硬件都擁有針對特定應(yīng)用場景增加擴展指令的能力。

“在AIoT領(lǐng)域，功耗，性能，安全的幾大關(guān)注點都需要系統(tǒng)級（軟硬件各個層面）優(yōu)化才能保證良好的使用體驗。硬件上，我們的CPU大幅領(lǐng)先常見的開源實現(xiàn)。軟件上我們支持商業(yè)操作系統(tǒng)，并提供安全/功耗的相關(guān)核心軟件，這也意味著Pygmy系列是更為完整的解決方案?！?/p>

“通過軟硬件一體化的設(shè)計，我們自主研發(fā)的芯片能夠讓用戶不用修改太多軟件源代碼就可以無縫升級（類似于software的forward compatibility，軟件向前兼容），跟過去的芯片升級換代的經(jīng)驗類似?！弊T章熹表示，在摩爾定律失效之后，需要在架構(gòu)上、一體化設(shè)計上做創(chuàng)新，讓用戶仍舊體會到相同頻率的效率提升。

在芯片領(lǐng)域，強力軟件的支持和兼容性是一個重要的議題。睿思的Pygmy系列chip，除了很早就支持Linux之外，還廣泛支持Amazon FreeRTOS, ThreadX, Azure RTOS等商用操作系統(tǒng)。Pygmy系列處理器支持TEE（Trusted Execution Environment)。安全方面的支持需要除CPU外整個SoC系統(tǒng)的支持。而Pygmy提供根植于硬件的信任度，軟件上受信任的固件支持受信任的安全啟動，固件升級和修復。

時間窗口與未來生態(tài)

不僅是睿思芯科或其他基于RISC-V開發(fā)芯片的廠商，Intel、AMD也在探索把AI模塊集成在CPU上的設(shè)計，以適應(yīng)AI時代的需要。

老牌指令集架構(gòu)廠商Arm也在今年2月發(fā)布了Cortex-M55核心架構(gòu)，提供新的Helium128-bit向量執(zhí)行單元，助力Cortex-M系列嵌入式CPU的深度學習。值得一提的是，Pygmy中的向量執(zhí)行單元為512-bit寬為ARM Helium的4倍，相當于Intel最新的AVX512的寬度。

另一方面，從發(fā)布到芯片真正完成設(shè)計生產(chǎn)，大概需要18-24個月的時間，起步較早的RISC-V架構(gòu)也就有了在這段時間內(nèi)蓬勃發(fā)展的窗口期。

根據(jù)Semico Research & Consulting 去年發(fā)布的《RISC-V市場分析：新興市場》報告，基于RISC-V開發(fā)的芯片可對各個不同的芯片產(chǎn)品都有重要價值，包括高性能多核SoC（system on chip）、價值多核SoC、基本SoC，以及FPGA（Field-programmable gate arrays）等等。

報告顯示，預(yù)計到2025年，采用RISC-V架構(gòu)的芯片數(shù)量將增至624億顆，2018年至2025年復合增長率高達146%。這些芯片將主要應(yīng)用在工業(yè)市場，PC、消費電子和通訊市場等。

嘗試RISC-V架構(gòu)的巨頭名單也在不斷增加：IBM、NXP、西部數(shù)據(jù)、英偉達、高通、三星、谷歌、華為、阿里、Red Hat與特斯拉等 100 多家科技公司都已經(jīng)加入RISC-V陣營。

世界范圍內(nèi)，RISC-V備受關(guān)注，與此同時，作為RISC-V在國內(nèi)最早的布道者，譚章熹非常敏銳地感知到，未來RISC-V在中國有著巨大市場——多年來，中國一直試圖在芯片領(lǐng)域找到突破口，卻苦于IP限制始終難以提供可靠的“中國芯”。而RISC-V的開源特性，讓它不僅能夠帶來更高效、可編程性強的自主可控芯片，還免除了高額的IP授權(quán)費用及問題。

“過去在中國，買IP做封裝、做解決方案的廠商并不少，而能夠自主研發(fā)IP和完成底層處理器設(shè)計的非常少?；赗ISC-V，這一點很可能迎來變化。”

2018年，譚章熹在深圳建立了睿思芯科總部。迄今為止，睿思芯科已與國內(nèi)數(shù)家知名智能家居廠商以及消費電子廠商達成戰(zhàn)略合作。

預(yù)計今年年末，睿思芯科將發(fā)布一款多核異構(gòu)芯片Pygmy，針對AI、邊緣計算場景，如語音互動、機器視覺等，Pygmy中含有睿思芯科自主設(shè)計的32位RISC-V內(nèi)核ORV32，以及4個64位RISC-V內(nèi)核ORV64。

2015年，RISC-V基金會建立，旨在推動RISC-V相關(guān)軟硬件生態(tài)體系發(fā)展。僅在中國，RISC-V基金會就有超過百名成員，包括華為、阿里巴巴、長虹、紫光展銳、中芯國際等等知名互聯(lián)網(wǎng)和半導體企業(yè)。目前譚章熹擔任RISC-V基金會董事。

“全世界對RISC-V的興趣并不是因為它是一種偉大的新芯片技術(shù)，而是因為它是一種通用的自由開放標準，可以將軟件移植到該標準中，并且該標準允許任何人自由開發(fā)自己的硬件來運行RISC-V軟件?！盧ISC-V的基金會上這樣陳述。

此前，圍繞RISC-V也曾有著種種爭議——安全問題、碎片化等等。其競爭者Arm甚至還上線過一個網(wǎng)站，專門用于指出RISC-V的問題，后因受到多方指責而關(guān)停。另一方面，年輕的RISC-V指令集雖然精簡，然而在生態(tài)上暫時還無法與X86、ARM匹敵，相關(guān)軟件、服務(wù)并不算豐富，僅在IoT這類對于生態(tài)要求較低的領(lǐng)域能夠迅速發(fā)展。

然而不可否認的是，RISC-V及其他開源指令集，把過去復雜、涉及行業(yè)眾多的芯片開發(fā)變得更加“親民”，也讓我們在AI、IoT時代能夠期待更多能夠解決垂直領(lǐng)域需求的優(yōu)秀芯片。