開源的RISC-V：真是中國“缺芯”的解藥嗎？

2020年4月，RISC-V基金會首席執(zhí)行官卡利斯塔·雷德蒙德（Calista Redmond）向基金會全體會員發(fā)出了一封通知郵件。郵件上寫著，“我們現(xiàn)已在瑞士正式成立‘RISC-V國際協(xié)會’”。

成立5年的RISC-V基金會原先總部在美國，因?yàn)閾?dān)心受到政治因素影響，搬遷到了一貫以中立著稱、有著支持開源傳統(tǒng)的瑞士。

誕生于2010年的RISC-V是一個指令集架構(gòu)，負(fù)責(zé)把軟件程序的運(yùn)行邏輯，翻譯成CPU能夠理解的“語言”。開源、允許任何人自由使用，是RISC-V最大的特點(diǎn)。相比之下，x86和ARM指令集架構(gòu)都是閉源的。前者主導(dǎo)了PC和高性能計(jì)算市場，但只有Intel和AMD兩家廠商可以使用；后者在移動設(shè)備和IoT低功耗市場占據(jù)統(tǒng)治地位，但授權(quán)費(fèi)十分高昂。

近三四年來，中國科技界越來越多人討論和采用RISC-V。隨著政治因素對科技行業(yè)影響的深化，以及ARM被NVIDIA收購，中國科技公司越發(fā)擔(dān)心，掌握在美國實(shí)體手里的x86和ARM架構(gòu)，可能會在將來某一天被斷供。

相對而言，開源的RISC-V沒有類似擔(dān)憂。“對于國內(nèi)企業(yè)來說，RISC-V基金會總部正式遷移至瑞士是重大利好?！眹鴥?nèi)一家RISC-V處理器廠商“賽昉科技”CEO徐滔告訴品玩，“這就意味著，采用開源RISC-V指令集、開源軟件和公開標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，將沒有后顧之憂，相信這會給中國處理器IP帶來自主發(fā)展的契機(jī)。”

RISC-V來到中國

時間回到4年前，中國本土知道RISC-V的人寥寥無幾，直到RISC-V基金會第一次來到中國舉辦研討會。

2017年5月8日，第六屆RISC-V研討會在上海交通大學(xué)微電子大樓報(bào)告廳開幕，會議主題是“芯片架構(gòu)的未來是什么”，超過200人參加。該研討會此前已經(jīng)舉辦過五屆，但都在美國，2017年首次來到中國。

“自從2017年RISC-V在上海交大舉行推介會之后，本土對RISC-V才有了基本的認(rèn)知?！毙焯显诮邮苊襟w采訪時說。

不過，中國本土也有少數(shù)人更早看到了RISC-V的潛力，比如芯來科技創(chuàng)始人胡振波。

他曾在Marvell（美滿電子科技）、Synopsys（新思科技）、比特大陸等多家廠商從事芯片設(shè)計(jì)工作，自2016年就開始研究RISC-V，并且在2017年創(chuàng)建了中國第一個開源的、面向超低功耗領(lǐng)域的RISC-V處理器內(nèi)核IP項(xiàng)目“蜂鳥E203”。

（蜂鳥E203內(nèi)核系統(tǒng)示意圖）

內(nèi)核IP是處理器內(nèi)部的組成模塊，在指令集基礎(chǔ)上開發(fā)而來。因其具備可復(fù)用的條件，所以在芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，逐漸分離出來。有公司把內(nèi)核IP做成了一門面向芯片設(shè)計(jì)者的生意。

RISC-V指令集架構(gòu)雖然是開源的，但從指令集開始設(shè)計(jì)一款芯片，不僅門檻高而且耗時長，因此普遍會采用現(xiàn)成的內(nèi)核IP，包括開源的和付費(fèi)的。

“ARM在中國的影響力太巨大了，中國由于在芯片處理器內(nèi)核方面，長期缺乏自主的通用處理器內(nèi)核，幾乎都是購買國外的ARM處理器內(nèi)核核心，這已經(jīng)形成了習(xí)慣。”2018年被問到RISC-V在國內(nèi)傳播的最大阻力時，胡振波說。

“對于RISC-V這樣一種新的架構(gòu)出現(xiàn)，很長一段時間大家都是持懷疑態(tài)度。ARM在中國還成立了合資公司，所以ARM在中國市場尤其顯得強(qiáng)勢，使得RISC-V在中國的傳播，相比別的國家顯得更加緩慢?！?/p>

一個有影響力的開源內(nèi)核IP，自然是RISC-V在中國本土普及的利器。在蜂鳥E203之前，開源的RISC-V處理器內(nèi)核基本是國外的，并且文檔非常匱乏，用戶只能將其當(dāng)做“黑盒”學(xué)習(xí)。胡振波認(rèn)為，中國需要一款本土簡單易上手的、使用VerilogHDL（一種用于數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的語言）編寫的開源處理器內(nèi)核，且需配套相關(guān)資料詳細(xì)講解，將其“白盒化”。因此，除了開發(fā)蜂鳥E203，他還寫了一本專業(yè)書籍《手把手教你設(shè)計(jì)CPU：RISC-V處理器篇》。

不少愛好者、初學(xué)者和高校機(jī)構(gòu)，都是從蜂鳥E203和這本書開始，逐漸學(xué)習(xí)和使用RISC-V指令集。截至2019年3月，該項(xiàng)目在Github上被Star了627次，F(xiàn)ork了258次。在基金會列舉的開源內(nèi)核項(xiàng)目中，被Fork數(shù)量排名第二，被Watch數(shù)量排名第三，被Star數(shù)量排名第四。

RISC-V在中國提速

2018年之后，RISC-V在中國本土的接受度和采用度逐漸提高?！昂芏嗳嗽谇皫啄陮ISC-V沒有足夠的認(rèn)知，確實(shí)很多客戶持觀望態(tài)度。但是在外部環(huán)境變化以及RISC-V生態(tài)發(fā)展趨于完善的情況下，很多客戶現(xiàn)在考慮或者已經(jīng)采用RISC-V處理器內(nèi)核?！毙焯细嬖V品玩。

外部環(huán)境變化，標(biāo)志性事件莫過于中興和華為相繼被斷供關(guān)鍵零部件。2018年4月16日，美國商務(wù)部禁止美國企業(yè)向中興銷售零部件、商品、軟件和技術(shù)，致使后者業(yè)務(wù)中的芯片供應(yīng)出現(xiàn)短缺。2019年5月16日，華為被美國列入“實(shí)體清單”，芯片危機(jī)成為全民討論的話題，行業(yè)端加快芯片自主化。

事實(shí)上，中國本土對芯片自主化的嘗試，一直沒有中斷過。

“但有兩條路被證明是走不通的，一條就是關(guān)起門來自己做一套東西，比較典型的就是龍芯。因?yàn)樾酒€是一個商品，性能再高，沒人用就無法體現(xiàn)出價(jià)值，所以必須有相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮價(jià)值。第二條路就是跟在別人后面，國內(nèi)有許多公司做x86、ARM、IBMPower的芯片，在某些特殊領(lǐng)域，用這些指令集架構(gòu)確實(shí)可以做一些事情，但是因?yàn)槭艿絀SA（指令集架構(gòu)）所屬公司知識產(chǎn)權(quán)（IP）的控制，很難取得成功。”半導(dǎo)體行業(yè)資深人士方之熙說。他曾任Intel副總裁和Intel中國研究院第一任院長，2018年被任命為RISC-V基金會中國顧問委員會主席。

在特定的大背景下，RISC-V憑借著開源特性，在中國本土迎來繁榮發(fā)展期。

首先從政策層面來看。2018年7月，距離“中興事件”不到100天，上海市政府發(fā)布了一份支持軟件和集成電路的政策，其中明確提到“支持基于RISC-V指令集架構(gòu)、32位及以上的處理器芯片的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”，并且要求“內(nèi)核需擁有自主知識產(chǎn)權(quán)”。項(xiàng)目實(shí)施周期規(guī)定在兩年內(nèi)（2018.7.1–2020.6.30）。由此，上海市成為中國本土首個出臺政策，支持RISC-V指令集的城市。

其次在行業(yè)層面，中國本土相關(guān)的行業(yè)聯(lián)盟逐漸形成。RISC-V生態(tài)的發(fā)展，很大程度上是依靠行業(yè)整體，而不像x86和ARM一樣，系于某一家商業(yè)公司。比如，在海外RISC-V生態(tài)建設(shè)中，RISC-V基金會（現(xiàn)更名為“RISC-V國際協(xié)會”）起到了非常重要的作用。

2018年9月，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，聚焦于RISC-V產(chǎn)業(yè)落地。11月，中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟在世界互聯(lián)網(wǎng)大會上成立，中科院計(jì)算所倪光南院士任理事長。兩個聯(lián)盟成立的初衷，都是為了推動中國本土RISC-V生態(tài)的完善，不過中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聚焦于產(chǎn)業(yè)落地，中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟更靠近學(xué)術(shù)界。

而在公司層面，2018–2020年間中國本土芯片行業(yè)涉及RISC-V的初創(chuàng)成立和資本運(yùn)作十分活躍。

2018年4月，阿里巴巴全資收購中天微。9月，阿里巴巴在云棲大會上宣布，將中天微和達(dá)摩院芯片業(yè)務(wù)進(jìn)行整合，成立“平頭哥半導(dǎo)體”。同月，中天微推出了基于RISC-V的自主指令架構(gòu)C-SKY，以及第一款RISC-V低功耗處理器CK902，并且很快就獲得了松果電子和伏達(dá)半導(dǎo)體兩家客戶。

2019年7月，平頭哥發(fā)布了RISC-VIP核玄鐵910。它支持16核，主頻可達(dá)2.5GHz，單核性能達(dá)到7.1Coremark/MHz，較業(yè)界主流芯片性能提高40%，較標(biāo)準(zhǔn)指令性能高出20%。

據(jù)電子創(chuàng)新網(wǎng)報(bào)道，玄鐵發(fā)布后，全志科技第一時間趕到了平頭哥進(jìn)行測試。一年后，全志科技宣布與平頭哥合作開發(fā)基于玄鐵內(nèi)核的通用算力芯片，應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，預(yù)計(jì)3年出貨5000萬顆。不過，全志科技采用的是玄鐵系列的906和902，性能不及910。成立于2007年的全志科技，是國內(nèi)老牌的芯片設(shè)計(jì)廠商，年出貨量在億級以上。過去，他們主要使用ARM授權(quán)，近年來開始采用RISC-V指令集。

胡振波也在2018年6月成立了“芯來科技”——一家專門做RISC-V內(nèi)核IP的公司。在接受媒體采訪時，他如此解釋創(chuàng)立公司的初衷：“在我所開發(fā)的蜂鳥E203面世的時候，基本上還是與國外處于同一起跑線，但是我目睹了國外很多專業(yè)RISC-V內(nèi)核IP公司陸續(xù)出現(xiàn)并飛速發(fā)展……國內(nèi)的CPU業(yè)界仍然停留在對RISC-V的質(zhì)疑中，遲遲沒有行動……我心急如焚，我對我的小伙伴們說，我要創(chuàng)立一家中國大陸專業(yè)做RISC-V內(nèi)核IP的公司?！?/p>

自成立以來，芯來科技已經(jīng)形成了完備的IP產(chǎn)品布局：100系列、200系列、300系列、600系列和900系列，涵蓋了從低功耗到中高性能場景，基本能全面對標(biāo)ARM的產(chǎn)品線。

（芯來科技IP產(chǎn)品總覽圖）

截至2020年12月，芯來科技的客戶已覆蓋國內(nèi)外超200家芯片公司和系統(tǒng)公司，并且其客戶群體不乏行業(yè)頭部企業(yè)。比如，2019年8月，芯來科技和兆易創(chuàng)新聯(lián)合推出了全球首個基于RISC-V的32位通用MCU（微控制單元），其內(nèi)核Bumblebee由兩家公司共同研發(fā)。兆易創(chuàng)新是國內(nèi)MCU市場第一梯隊(duì)選手，其以ARM架構(gòu)為主的MCU產(chǎn)品已經(jīng)躋身高端市場，近年來開始嘗試基于RISC-V內(nèi)核的芯片。

芯來科技在資本市場上的表現(xiàn)，也很搶眼：2020年8月，完成了一輪戰(zhàn)略融資，領(lǐng)投方是小米長江產(chǎn)業(yè)基金；12月底，又完成最新一輪融資，天際資本領(lǐng)投，中關(guān)村芯創(chuàng)集成電路基金、臨芯投資和啟榕創(chuàng)投跟投，老股東小米長江產(chǎn)業(yè)基金、藍(lán)馳創(chuàng)投、新微資本繼續(xù)追投。

芯片設(shè)計(jì)平臺即服務(wù)公司“芯原科技”，也選擇了加入RISC-V陣營。這家成立于2001年的公司，是國內(nèi)唯一一家在全球半導(dǎo)體IP市場中，占有率排進(jìn)前十的廠商。

談到為什么會選擇RISC-V的原因，芯原科技創(chuàng)始人戴偉民表示，芯原作為芯片設(shè)計(jì)平臺即服務(wù)公司，除了有設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)務(wù)之外，還擁有大量的IP，目前公司擁有包括GPU、VPU、數(shù)據(jù)壓縮、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器、ISP、DPU等IP，唯獨(dú)缺少CPUIP，這是選擇RISC-V的重要原因。

關(guān)注到中國RISC-V生態(tài)發(fā)展的，還有RISC-V指令集的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)。他們在2015年成立了一家推動RISC-V商業(yè)化的公司“SiFive”，獲得高通、Intel和三星三大半導(dǎo)體公司投資。2018年，由RISC-V開創(chuàng)者和業(yè)內(nèi)資深專家組成的團(tuán)隊(duì)，在中國建立了一個獨(dú)立運(yùn)營的本土企業(yè)“賽昉科技”。

賽昉科技CEO徐滔在接受采訪時說：“我們團(tuán)隊(duì)擁有 IC產(chǎn)業(yè)界20、30年經(jīng)驗(yàn)，篤信中國將成為世界上最大的IC市場和原產(chǎn)地，因此在技術(shù)和管理上需要有充分的自主權(quán)，這是我們成立賽昉科技的初衷?！?/p>

賽昉科技與SiFive是戰(zhàn)略合作的關(guān)系，“從公司治理和資本結(jié)構(gòu)來講，賽昉擁有獨(dú)立的董事會，投資人也包括來自中國本土的投資機(jī)構(gòu)，企業(yè)也是本土獨(dú)立運(yùn)營和管理”。

通過自主研發(fā)，賽昉科技將RISC-V技術(shù)進(jìn)行本土化。比如，2020年9月，賽昉科技發(fā)布了首個基于RISC-V的人工智能處理平臺“驚鴻7100”，主要面向自動駕駛、無人機(jī)、公共安全、交通管理和智能家居等領(lǐng)域。12月，賽昉科技推出全球性能最高的面向高性能計(jì)算場景的RISC-V處理器內(nèi)核——天樞系列處理器。

“賽昉科技已有100多個CoreIP使用案例?！毙焯蠈ζ吠姹硎荆氨热?020年7月，紫光旗下新華三半導(dǎo)體就采用了我們的RISC-V多核處理器，用于下一代高性能網(wǎng)絡(luò)處理器中。”

相比專門的芯片廠商，作為一個終端品牌廠商，華米科技在2018年9月17日推出全球首款RISC-V可穿戴處理器“黃山1號”，讓很多人感到意外。

據(jù)騰訊一線報(bào)道，華米科技最早也在內(nèi)部做過推演，評估自己做芯片是否有意義，是否找做芯片的公司合作就行了。不過，華米團(tuán)隊(duì)很快意識到，芯片等同于硬件的“心臟”，要想硬件性能好，首先需要固化“心臟”的AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這需要云端大規(guī)模的數(shù)據(jù)才能訓(xùn)練出來。

華米做健康手環(huán)積累了大量數(shù)據(jù)，這是其做芯片的優(yōu)勢所在。而之所以在眾多構(gòu)架中選擇了RISC-V，是因?yàn)檫@個構(gòu)架的前瞻性，簡單、安全、可擴(kuò)展。早在2016年，華米就開始與SiFive在芯片領(lǐng)域進(jìn)行合作，并在2018年6月與Intel和西部數(shù)碼一起投資了SiFive。不到一年，華米科技又參與投資了法國一家半導(dǎo)體公司GreenWavesTechnologies。這家公司是RISC-V開源生態(tài)中最早的芯片供應(yīng)商之一，主要面向低功耗的IoT市場。

2020年6月15日，華米科技又發(fā)布了黃山2號芯片。華米表示，相?于在可穿戴設(shè)備中常?的ARMCortex-M4架構(gòu)處理器，黃山2號的整體運(yùn)算效率提升了38%?

經(jīng)過一波快速發(fā)展后，中國本土已經(jīng)形成了完整的RISC-V產(chǎn)業(yè)鏈：在產(chǎn)業(yè)最上游，是芯片內(nèi)核IP設(shè)計(jì)公司，這一類公司有阿里巴巴達(dá)摩院（中天微）、芯來科技、芯原科技和賽昉科技等；在產(chǎn)業(yè)中游，是芯片設(shè)計(jì)公司，比如兆易創(chuàng)新、全志科技、北京君正和樂鑫科技等；產(chǎn)業(yè)下游，是終端品牌廠商，比如華米、小米、華為和阿里巴巴。

從中低功耗到高性能計(jì)算

由于RISC-V開放、模塊化和可擴(kuò)展性的特性，大部分RISC-V產(chǎn)品都聚焦于中低功耗市場，最大應(yīng)用場景是IoT。

據(jù)芯來科技介紹，由于摩爾定律和登納德縮放比例定律的相繼失效，通用處理器逐漸無法滿足對整體系列能效比的追求，基于領(lǐng)域的架構(gòu)設(shè)計(jì)（DSA，DesignSpecificArchitecture）的設(shè)計(jì)理念，逐漸成為共識和趨勢。而RISC-V架構(gòu)一個顯著的特征，便是開放的可擴(kuò)展性，便于實(shí)現(xiàn)面向特定領(lǐng)域的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

此外，RISC-V生態(tài)不如x86和ARM的問題，在IoT領(lǐng)域也不是那么突出。這里的生態(tài)是指，軟件棧是否完善，比如說操作系統(tǒng)。移動設(shè)備、桌面設(shè)備和服務(wù)器，是對軟件棧比較依賴的市場。但I(xiàn)oT領(lǐng)域，對生態(tài)依賴沒這么大，是一個天然的“碎片化”市場。

據(jù)電子工程專輯報(bào)道，嵌入式軟件協(xié)會副理事長何小慶說：“做生態(tài)最難的實(shí)際是移動市場，其次是桌面、服務(wù)器。而IoT生態(tài)實(shí)則要容易得多，IoT生態(tài)鏈本身就比較短?！毙緛砜萍糃EO胡振波也表達(dá)了類似的觀點(diǎn)：“服務(wù)器、桌面的軟件生態(tài)難以逾越，但在嵌入式領(lǐng)域，軟件生態(tài)并沒有人們想象得那么可怕，甚至并沒有什么太大的軟件生態(tài)?！?/p>

而對于碎片化可能會給RISC-V生態(tài)帶來的問題，徐滔認(rèn)為：“很多人認(rèn)為RISC-V是開源開放的，很可能存在碎片化問題。我們需要先區(qū)分碎片化和多樣化。碎片化就是用不同的方法做同樣的事情。而多樣化是采用不同方式解決不同的問題。所以各種各樣符合標(biāo)準(zhǔn)指令集的RISC-V處理器，不是碎片化而是多樣化，因?yàn)閷?shí)際需求各不相同，這些采用不同RISC-V標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展指令的處理器解決了不同的問題。”

相比中低功耗市場，RISC-V在高性能計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展仍不充分。在接受與非網(wǎng)采訪時，徐滔說：“我們認(rèn)為RISC-V經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，在中低端應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)較為成熟，但是在高性能計(jì)算及人工智能應(yīng)用領(lǐng)域上與其他架構(gòu)處理器（主要是ARM）相比較還有差距，相關(guān)生態(tài)上的資源也有限?！?/p>

部分公司看到了RISC-V在高性能計(jì)算領(lǐng)域的機(jī)會，賽昉科技正是其中一家。“高性能計(jì)算的新應(yīng)用場景，對芯片性能和能效提出了新的要求?！毙焯细嬖V品玩，“但是之前市場上現(xiàn)有的RISC-V處理器IP，還都不能滿足這類高性能計(jì)算的應(yīng)用場景?！?/p>

2020年12月10日，賽昉科技發(fā)布了全球性能最高的RISC-V處理器內(nèi)核-天樞系列處理器。該系列處理器針對性能和頻率做了優(yōu)化，基于64位內(nèi)核，采用12級流水線和7nm工藝制程，頻率最高可達(dá)3.5GHz，由臺積電代工，填補(bǔ)了RISC-V在高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的空白。

RISC-V本土生態(tài)還缺什么？

從中低功耗市場到高性能計(jì)算領(lǐng)域，RISC-V在中國本土逐漸獲得更多認(rèn)可。但相比海外，中國本土的RISC-V生態(tài)依然有一定的短板。徐滔告訴品玩：“目前來看國內(nèi)RISC-V生態(tài)短板，主要在人才、軟件及應(yīng)用生態(tài)等方面?！?/strong>

細(xì)分來看，人才短板逐漸補(bǔ)上，不少學(xué)校已經(jīng)開設(shè)或正在規(guī)劃RISC-V的相關(guān)培訓(xùn)及課程，各類有關(guān)RISC-V的大學(xué)競賽相繼召開，相關(guān)的書籍也逐漸問世。

“對于軟件及應(yīng)用生態(tài)來講，國內(nèi)還尚無大型生態(tài)的成功案例?！毙焯险f，“特別是基礎(chǔ)軟件，比如編譯器、調(diào)試器、OS、基礎(chǔ)庫、上層應(yīng)用框架等，國內(nèi)對于此類軟件的整體貢獻(xiàn)度都有所差距，但是目前的增長相對較快。國內(nèi)很多本土企業(yè)已經(jīng)在持續(xù)完善此類軟件，差距正在逐步縮小。”

此外，雖然中國本土的學(xué)校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和個人愛好者對RISC-V有很高熱情，但在標(biāo)準(zhǔn)的參與和貢獻(xiàn)上，目前還是在起步階段。