来源:半导体产业纵横

如果有人问全球前三大指令集,或许芯片公司门口的守楼大爷也能如数家珍地报出:X86、Arm、RISC-V。

相较于前两大架构,2010 年「出生」的 RISC-V 被称为「第三大指令集」好像有点名不副实。

要知道,X86 指令集能够占领一半以上的 PC 处理器市场和 95% 以上的服务器市场,Arm 指令集则占据了全球 99% 以上的移动设备。而作为仅有 14 岁的「后辈」,RISC-V 能够占据的市场份额可想而知。

不过,短短时间内,能够杀出重围,闯入两大指令集的「狩猎场」。RISC-V 自然也是有自己的优势。

如同每一个名将,都有自带着独特的 BUFF。比如单手举鼎的项羽,力大无穷。RISC-V 天生就带着三大 BUFF:开源开放、免费、可修改。

「大浪淘沙」中的 RISC-V

我们先谈谈 RISC-V 尚未出现前的世界。

1978 年,英特尔创造了 X86 指令集,并且对该架构的演进具有绝对的控制权。X86 统治了几乎所有计算机、服务器等高性能领域。

想要使用 X86 指令集,不光要有钱,还要有资格。在过去的 30 多年,拿到 X86 入场券的仅仅只有 AMD 和 Cyrix(Cyrix 被威盛收购,后来威盛又将该项业务卖给中国大陆一家芯片企业成立兆芯)。

Arm 公司主导的 Arm 架构与 X86 不同,虽然 Arm 本身在负责架构的升级,但是只做 IP 核生意。也就是说,想要使用 Arm,有钱就行。「资格」(授权)在 Arm 手里,只要给够钱,都不是问题。从 1997 年,Arm9 问世以来,在苹果 A 系列芯片的带动下,基于 Arm 自研芯片的移动端产品越来越多。

但随时可能被人取消资格、禁止参赛的世界是需要改变的。

当被世界捆住手脚,总需要有人挣脱束缚。

2010 年,加州大学伯克利分校 Krste Asanović教授决定开发一个开放原始代码的电脑系统,X86 没资格、Arm 又太贵。惹谁都别惹知识分子,Krste Asanović教授找来了 David Patterson,开源、免费、可修改的 RISC-V 由此诞生。

RISC-V 的到来,本身也有点突破「枷锁」的味道。之后,为了确保 RISC-V 的开源,RISC-V 基金会还将总部从美国迁移到了中立国瑞士。

「名将」RISC-V 带着它的尖刀,冲击着市场。2021 年 RISC-V 国际基金会,会员数量为 300 多家,而到 2024 年,其会员数量已经超过 4000 家,有了超 10 倍的增长。在 2022 年,市场上量产的 RISC-V 处理器已经达到 100 亿颗,其中有 50%来自中国。

目前国际上著名的开源社区 Debian 已首次把 RISC-V 作为官方支持的指令集架构,此外,Google 的 Android 开源版本 AOSP 也宣布把 RISC-V 当作官方支持的 Tier-1 指令集。

作为新的指令集,只有实现盈利才能进一步保持持久的生命力。RISC-V 到了「掘金时刻」,而这一时刻的带领者正是阿里巴巴达摩院。

掘金时刻,无剑联盟

无数国内外的科技公司和机构纷纷都涌入了 RISC-V 赛道,想要成为下一批「淘金者」。

2019 年 7 月,阿里巴巴发布当时业界性能最强的 RISC-V 处理器玄铁 910;2021 年 6 月,中科院计算所发布高性能 RISC-V 处理器香山;2022 年 11 月,美国芯片创业公司 SiFive 推出 3.4GHz 的 RISC-V 处理器。

与此同时,印度、巴基斯坦、俄罗斯、欧盟的政府都将 RISC-V 提上了议程,前后发布了不同的支持政策。

2023 年更是 RISC-V 突破性的一年。

国内这边,北京开源芯片研究院公布第二代「香山」(南湖)开源高性能 RISC-V 处理器内核等,性能已超过 ARM A76;阿里巴巴发布首个自研 RISC-V 人工智能多媒体融合平台,支持运行 170 余个主流人工智能模型。

国际上,RISC-V 服务器芯片制造商 Esperanto Technologies 和 Ventana Micro Systems 已经推出了用于云计算的芯片;Meta 也推出了一款基于 RISC-V 架构的 AI 推理芯片;英特尔正在与巴塞罗那超级计算中心(BSC)合作,为超级计算机制造 RISC-V 芯片。

惟变所出,万变不从。

开源的 RISC-V 带来了新的商业模式和商业机会。

RISC-V 走向大规模商业化一直是业内所期盼的。但是,由于 RISC-V 处理器在高性能计算领域的应用和研究依然处于探索阶段,软件生态系统、芯片、电路板和系统的可靠性问题并没有解决。

怎么进行商业化一直是业内在探索的问题。

当开源和可修改被视为 RISC-V 的最大优势时,它们也成了 RISC-V 进一步发展的阻碍。虽然开发者准入门槛降低了,但这反而可能导致更严重的指令集架构碎片化。

商家自己拓展的 RISC-V 指令集不是标准指令集,很容易产生碎片化问题。缺乏统一性的话,软件生态系统建设就会缺乏锚点,很难让一套软件生态满足所有拓展出的 RISC-V 指令要求。

想要克服这个阻碍,必须建立联盟,依靠上下游公司的合作。而这只能靠具有行业影响力的大公司号召。

RISC-V 国际基金会 22 位高级会员中有 12 名来自中国。在国际标准建设中,阿里巴巴领导了其中的 13 个主要技术小组,是公认的投入力量最大的中国机构。

在 2024 玄铁 RISC-V 生态大会上,阿里达摩院正式发起了「无剑联盟」。

Synopsys、中国电信股份有限公司研究院、Imagination、青岛海尔科技有限公司、Arteris、芯昇科技等头部企业及机构首批加入。

成员将基于玄铁处理器紧密推进 IP 协同、工具链优化、操作系统适配、解决方案拓展、应用推广等工作,持续降低 RISC-V 开发成本,缩短 RISC-V 产品及应用上市时间,让终端厂商以更快的速度找到更适配的 RISC-V 方案。

例如,基于「无剑 600」芯片设计平台,Imagination 和玄铁实现了高性能异构算力架构,产出一批高性能芯片;Arteris 将与玄铁合作保证 ArterisNcore 和 FlexNoC 片上网络互联 IP 及 SoC 自动化集成技术与玄铁 RISC-V 系列产品的互操作性。

建立 RISC-V 产业合作新范式,帮助芯片公司加速技术转化过程,降低开发成本与风险,才能充分挖掘 RISC-V 的商机。

走向大规模商业化是 RISC-V 进一步成长的必经之路。

这一次,RISC-V 的掘金,玄铁不但要成为「淘金者」,还要成为「卖金铲的人」。助力 RISC-V 距离商用更进一步。

生态是发展 RISC-V 的关键

2023 年,全世界的 RISC-V 科技公司的 CEO 都在讨论一件事:要做 RISC-V 的生态。

「生态」对于半导体架构来说,非常重要。芯片架构的地位,往往就在于「生态」:有多少家公司愿意使用这个指令集。

传统上,一家企业想要在自家产品中集成芯片,需要先选择供货商,供货商与指令集架构、软件生态深度绑定,因此一旦做出选择便难以更改。

类似于:淘宝吸引了很多的买家,那么买家更倾向于在淘宝上购物。随着买家数量的增加,淘宝也吸引了越来越多的商家入驻。这就使得淘宝的市场越来越大,这种效应被称为「双边效应」。

做 RISC-V 的生态也是同一个道理。RISC-V 的生态越完善,使用的客户就越多,那么 RISC-V 整体的市场就越大。

一个好的生态,能够给架构带来正向循环。

Arm 的生态建设就非常强悍。在 2010 年时,由 Arm、IBM、三星、TI 等厂商联合设立了非营利组织 Linaro,这个机构就是合作进行开源 Linux 软件产品和开发工具的开发和改进,帮助 Arm 的合作伙伴快速推出基于 Arm 架构的产品。

对于新的架构来说,Arm 走过的路,RISC-V 都要走一遍。在 RISC-V 芯片已经出货百亿颗的背景下,完善 RISC-V 的生态化建设迫在眉睫。过去几十年,因为生态进展而中道崩殂的指令集不计其数,如 MIPS、SPARC 等等。

RISC-V 的蓬勃发展,需要全球创新协同。

从芯片生态,到基础软件生态,再到应用和终端生态,达摩院玄铁正连接各大生态体系,让全球的开发者和合作伙伴都能更好地使用和发展 RISC-V 技术。

去年,由阿里巴巴、谷歌、英特尔等 13 家企业发起的全球 RISC-V 软件生态计划「RISE」,在比利时布鲁塞尔正式启动。

RISE 旨在加速 RISC-V 新架构的软件生态建设及应用商业化进程,成员将联合推动 RISC-V 处理器在移动通信、数据中心、边缘计算及自动驾驶等领域的市场化落地。很多行业人士认为,RISE 类似 Linaro。

阿里巴巴想要促进 RISC-V 生态的决心不小。

在 2021 年,阿里巴巴直接宣布开源四款玄铁系列 RISC-V 处理器,包括玄铁 E902、E906、C906、C910。

玄铁 RISC-V 系列已经拥有 300 多家客户、超 800 个授权数,其出货量超过 40 亿颗,是应用规模最大的国产 CPU IP。

达摩院已经开源 4 款玄铁处理器,虽然意味着将损失 IP 核授权带来的收入,但另一方面,开发者们能够在开源的基础上做软硬件适配,推动 RISC-V 生态的发展。

围绕玄铁处理器,一个蓬勃生长的 RISC-V 协同创新生态雏形已初步形成。

5 年间,玄铁 RISC-V 处理器已发布 3 个系列 9 款产品,覆盖高性能、高能效、低功耗等不同场景。

本届大会,达摩院宣布玄铁系列将面向低功耗、AI 加速、车规及安全领域全面迭代升级。同时,玄铁 C907 首次实现矩阵运算(Matrix)扩展,为未来 AI 加速计算提供更多选择;下一代处理器 C930 也将于 2024 年推出。

在软件生态上,玄铁完整推出基础软件三件套——编译器 TAC、编译环境 CDK、部署工具集 HHB,大幅提升 RISC-V 开发环境及工具栈效率。

在几年时间内,玄铁已经基本完成了与国际及国内主流操作系统与 RISC-V 的全适配。比如说安卓、Debian、Fedora、Gentoo、Ubuntu、龙蜥、统信、openKylin、创维酷开系统、RTT 等操作系统,并在百余款量产芯片中得到了应用。

在硬件开发和工具链建设上,EDA 厂商基于玄铁处理器开发出 RISC-V 仿真、调试、验证等系列工具,大幅缩短产品验证及上市时间,显著降低风险。

玄铁 RISC-V 处理器的长期技术积累,正逐步结出应用成果。

在 2024 玄铁 RISC-V 生态大会上,中国科学院软件研究所发布基于 RISC-V 的开源笔记本电脑「如意 BOOK」,搭载玄铁 C910 处理器。在 openEuler 操作系统上流畅运行钉钉、Libre Office 等大型办公软件。

如意 BOOK 首次打通了从底层芯片到操作系统到商用软件的 RISC-V 全链路,且全部开源开放。中国科学院软件研究所 RISC-V 行业生态负责人郭松柳表示:「我们期待更多开发者基于如意 BOOK 进行原生 RISC-V 开发,共同丰富 RISC-V 的软件应用生态。」

在去年的玄铁 RISC-V 生态大会上,阿里巴巴就公布了生态计划。针对芯片开放社区开发者、行业伙伴分别推出了「RISC-V 学院计划」、「玄铁优选芯片」。以此建设帮助 RISC-V 生态,推动芯片落地。

玄铁处理器已经在 AI、5G 通信、自动驾驶、金融等领域展开广泛应用创新。

在电力行业,国网智芯公司基于玄铁处理器研发面向工业应用的高能效、高安全、高可靠的 AI 芯片,可用于变电智能巡视、源网荷储协同调度等场景,全面赋能数智化电网建设;

在 ICT 领域,中国电信研究院采用玄铁 RISC-V 研发云桌面、AI 边缘盒子等新硬件,助力打造「端-边-云」全面应用;

在机器人方向,亚博智能推动 RISC-V 首次进入 ROS 机器人领域,基于玄铁处理器的 Mlik-VMeles 开发板研发 SLAM 建图与避障导航小车;

润开鸿联合达摩院在玄铁 RISC-V 上更好地发挥了 OpenHarmony 分布式技术应用优势,落地金融、交通等行业。

尾声

前些日子,欧盟已经宣布大力投资 RISC-V 架构,想要以此实现半导体芯片的独立。

如将不尽,与古为新。开源早已成为处理器芯片发展的新趋势。

正如阿里巴巴达摩院院长张建锋在会上所说,从软件到硬件,开源已经成为数字产业的大势所趋。「开源是手段,而开放是思想,RISC-V 的魅力正在于此」,他表示,「它是透明的、与时俱进的,让大家都能在兴趣驱动下作出自己的创新贡献。」

在 PC 产业,英特尔是通过 IDM 模式加卖芯片的方式去推动了芯片产业的发展,但这种模式需要很多的资源、上百亿美元的收入才能支撑这样的一个产业。而且一旦利润下降就会被不看好,这也是为什么英特尔股票下跌。

智能手机产业,Arm 也用更轻的方式,不卖芯片,只卖 IP,让其他的企业去做芯片,这样也能够撬动一个更大的智能手机的产业。

今天如果用开源芯片的方式,IP 是开源的,流程也是开放的,通过全链路合作的方式来去推动技术发展,持续让技术演进,那就有可能撬动更大的产业。

张建锋表示:「随着新型算力需求激增,RISC-V 发展迎来蝶变,即将进入应用爆发期。达摩院将持续加大 RISC-V 的研发投入和生态共建,推动行业上下游协同创新发展。」

由达摩院引领,RISC-V 终于等到了「掘金时刻」。

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