RISC-V架構(gòu)何以成功？
RISC-V 處理器架構(gòu)的誕生毫無疑問讓很多人都為之興奮不已。然而，盡管許多人都說 RISC-V 預(yù)示著我們將迎來更廣泛的開源硬件運(yùn)動(dòng)，但這種架構(gòu)究竟為什么取得成功的原因并不好判斷，而且它是不是會(huì)推動(dòng)更多開源芯片核心的出現(xiàn)也完全是個(gè)未知數(shù)。
“RISC-V 成為了許多芯片開發(fā)商的首選架構(gòu)，在硬件開發(fā)界掀起了一股創(chuàng)新浪潮，“RISC-V 國(guó)際的技術(shù)項(xiàng)目總監(jiān) Stephano Cetola 說：“設(shè)計(jì)師們正在基于 RISC-V 設(shè)計(jì)各種架構(gòu)，并在許多行業(yè)內(nèi)開發(fā)實(shí)際的芯片實(shí)現(xiàn)”。
這并不是業(yè)界第一次將處理器的實(shí)現(xiàn)，或稱指令集架構(gòu)（ISA）在公共領(lǐng)域開放出來。業(yè)界有很多這樣的例子，包括 OpenPOWER、OpenSPARC、OpenRISC，等等。雖然每一種架構(gòu)都獲得了一定程度的推動(dòng)，但與 RISC-V 在很短時(shí)間內(nèi)取得的成就相比，它們都相形見絀。
與 RISC-V 社區(qū)成員交流時(shí)，你會(huì)經(jīng)常聽到兩個(gè)詞—— 免費(fèi)和自由。一些人希望處理器內(nèi)核是免費(fèi)的，而另一些人則希望能自由地使用內(nèi)核，做他們想做的事。對(duì)這些人來說，是不是免費(fèi)并不怎么重要，因?yàn)樗麄儠?huì)花很多錢來獲得他們想要的東西。
一個(gè)不斷變化的市場(chǎng)
RISC-V 的興起是與行業(yè)內(nèi)其他一些事件同時(shí)發(fā)生的。
首先是摩爾定律放緩了腳步，這意味著每個(gè)新的芯片制造工藝節(jié)點(diǎn)不再意味著芯片算力能同步幾何增長(zhǎng)。其次是機(jī)器學(xué)習(xí)的飛速發(fā)展帶來了對(duì)算力的巨大需求增長(zhǎng)。
那么，這是不是說 RISC-V 僅僅是出現(xiàn)在了正確的時(shí)間、正確的位置上呢？
人們對(duì)處理器的看法已經(jīng)改變了。Imperas 軟件公司的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Simon Davidmann 說：“RISC-V 是被硬件設(shè)計(jì)社區(qū)對(duì)自由的需求所推動(dòng)的。“電子產(chǎn)品是由其功能定義的，其中很多功能又是由軟件定義的，而軟件是在處理器上運(yùn)行的。今天，一切軟件都需要某種形式的機(jī)器學(xué)習(xí)能力。比如說你的手機(jī)為了拍攝更好的照片就需要機(jī)器學(xué)習(xí)支持，進(jìn)而需要大量算力，諸如此類。而人們意識(shí)到的是，他們需要大量的處理器。他們需要屬于自己的處理器架構(gòu)。你需要以你需要的方式來配置它們。現(xiàn)成的技術(shù)是不夠用的。因此，在電子產(chǎn)品市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種變化，也就是說'我們需要自由設(shè)計(jì)芯片、自由設(shè)計(jì)處理器和這些芯片上的處理器架構(gòu)”。
很多人同意他的觀點(diǎn)。Codasip 公司的高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān) Roddy Urquhart 說：“由于芯片擴(kuò)展通用算力的步伐逐漸停滯，提供更高性能的唯一方法就是專業(yè)化。““開放的 RISC-V ISA 是模塊化的，支持自定義指令，因此成為了創(chuàng)建多種多樣的專用處理器和加速器的理想 ISA。”
我們要看到，所有這些需求的背后是新一代系統(tǒng)公司正在進(jìn)入市場(chǎng)，每一家公司都有獨(dú)特的商業(yè)動(dòng)力。但這些系統(tǒng)公司的一個(gè)共同點(diǎn)是，他們并不試圖銷售他們所開發(fā)的芯片。相反，他們正在銷售以某種方式由這些產(chǎn)品推動(dòng)的服務(wù)。他們沒法從現(xiàn)有市場(chǎng)上購(gòu)買合適的產(chǎn)品，所以他們準(zhǔn)備自己開發(fā)芯片，同時(shí)也通過貢獻(xiàn)和合作來推動(dòng)一些必要的創(chuàng)新。在這種情況下，RISC-V 發(fā)揮了重要作用。
是什么讓 RISC-V 與眾不同？
RISC-V 正在多個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造突破，而每個(gè)領(lǐng)域成功的原因都有所不同。為了理解這一點(diǎn)，有必要分開看待 RISC-V 取得成功的各個(gè)因素。首先是架構(gòu)本身。其次是大量正在研發(fā)中的開源架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。第三個(gè)方面是圍繞處理器核心的支持核心。最后，還有必要的工具來幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證 RISC-V 處理器。
它最初是為了滿足一個(gè)特殊的需求而創(chuàng)建的。Imperas 公司的 Davidmann 說：“現(xiàn)在它背后有大量的資源支持。“一開始它是來自大學(xué)、學(xué)術(shù)界，大學(xué)里的一些聰明人做出了一個(gè)好東西。從伯克利出來后，它從硅谷和很多前伯克利畢業(yè)生那里獲得了一些動(dòng)力。它的勢(shì)頭比 OpenRISC 猛的多。很多大學(xué)需要它，是他們推動(dòng)了它的發(fā)展。”
RISC-V 現(xiàn)在是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn) ISA，由加州大學(xué)伯克利分校推動(dòng)，還有一個(gè)行業(yè)非營(yíng)利組織在照顧它——也就是 RISC-V 國(guó)際。許多大學(xué)創(chuàng)建了開放的處理器內(nèi)核，如伯克利大學(xué)的 Rocket 內(nèi)核、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 pulp 平臺(tái)，等等。今天，有許多行業(yè)合作團(tuán)體將工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聚集在一起構(gòu)建開源內(nèi)核，并將其提供給整個(gè)社區(qū)。這方面的例子包括了 CHIPS 聯(lián)盟和 OpenHW 小組。
許多國(guó)家已經(jīng)提出了可以滿足當(dāng)?shù)匦枨蟮捻?xiàng)目。印度有 Shakti 項(xiàng)目，由 IITMadras 推動(dòng)。在以色列，GenPro 聯(lián)盟將工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聯(lián)合了起來。日本和中國(guó)也有類似的項(xiàng)目，他們正在開發(fā)開源的 RISC-V 內(nèi)核，以使它們能夠?yàn)樗麄兊纳鐓^(qū)和具體利益服務(wù)。
RISC-V 是第一個(gè)開放和可定制的 ISA。“目前，與 RISC-V 相關(guān)的主要工業(yè)利益不是關(guān)于開源實(shí)現(xiàn)，而是關(guān)于開源指令集，“Fraunhofer IIS 自適應(yīng)系統(tǒng)工程部的先進(jìn)系統(tǒng)集成小組組長(zhǎng)和高效電子部門主管 Andy Heinig 說：“有了它，環(huán)境就標(biāo)準(zhǔn)化了，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)是為具體的公司需求設(shè)計(jì)的，也是公司擁有的。我們?cè)谛酒g的接口領(lǐng)域看到了類似的活動(dòng)，人們正在準(zhǔn)備和討論許多互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。在 RISC-V 這邊，這些互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)也可以支持不同供應(yīng)商的芯片之間獲得互操作性。而 RISC-V 則在軟件方面提供了互操作性”。
能夠修改的能力是很重要的。Valtrix 系統(tǒng)公司的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Shubhodeep Roy Choudhury 說：“像 RISC-V 這樣的開源、支持自定義擴(kuò)展的 ISA 給處理器設(shè)計(jì)者帶來了難以置信的自由。“同時(shí)，它也帶來了一個(gè)非常有趣的驗(yàn)證挑戰(zhàn)。要確保所有的設(shè)計(jì)都符合要求，功能正確，就需要改變測(cè)試生成器的設(shè)計(jì)方式。它們需要高度的可配置性，才能對(duì)定制功能和傳統(tǒng) / 基準(zhǔn)功能進(jìn)行驗(yàn)證”。
從開放的 ISA 到開源的處理器是一個(gè)很大的跳躍。“開源 IP 的概念非常誘人，因?yàn)樗屓寺?lián)想到了免費(fèi) IP 的概念，“Flex Logix 公司 IP 銷售和營(yíng)銷副總裁 Andy Jaros 說：“然而，開源并不等于免費(fèi)。大多數(shù)公司，除非他們想在 IP 開發(fā)上投入巨大的資源，否則就會(huì)從無數(shù)的 IP 供應(yīng)商（如 Open5、Andes 和其他許多供應(yīng)商）那里獲得預(yù)實(shí)現(xiàn)的 RISC-V 內(nèi)核的許可。這節(jié)省了開發(fā)、驗(yàn)證、軟件開發(fā)等工作的投入，還能有很多保障。”
有多家公司在開發(fā)內(nèi)核競(jìng)品，這也促進(jìn)了實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域的創(chuàng)新進(jìn)程。“RISC-V 的真正價(jià)值在于它成為了 Arm 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而不是因?yàn)樗情_源的，“Jaros 補(bǔ)充說：“我們看到了很多 RISC-V 內(nèi)核供應(yīng)商，他們?yōu)槭袌?chǎng)提供了選擇、促進(jìn)了競(jìng)爭(zhēng)。而在 Arm 這邊，你只能從 Arm 獲得 Arm 處理器內(nèi)核。”
另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是快速增加的內(nèi)核數(shù)量，這讓基于實(shí)例的專利費(fèi)用定價(jià)顯得相當(dāng)昂貴。“人們希望處理器遍布他們的設(shè)計(jì)，“Davidmann 說：“他們想要很多小型處理器，而現(xiàn)有的 Arm 許可條款要做到這一點(diǎn)相當(dāng)困難。當(dāng)然，它們也很昂貴，但更重要的是，人們不能隨心所欲地修改 Arm 內(nèi)核。我不相信 RISC-V 的成功是因?yàn)樗阋嘶虺杀镜汀Ｈ绻阒皇窍胱雠c Arm 內(nèi)核相同的事情，你絕對(duì)應(yīng)該買一個(gè) Arm 內(nèi)核，因?yàn)樗?jīng)過了充分驗(yàn)證，設(shè)計(jì)得非常好——這正是你想要的。使用 RISC-V 的唯一原因是你想自由地改變它，把你自己的東西添加到它里面。”
即使有了這一切有利因素，如果沒有圍繞它的生態(tài)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，RISC-V 可能就不會(huì)取得成功。“開源社區(qū)開發(fā)的眾多重要工具是幫助人們基于 RISC-V 開發(fā)出多種多樣的處理器的關(guān)鍵因素，如芯片技術(shù)工藝設(shè)計(jì)套件、設(shè)計(jì)驗(yàn)證套件、實(shí)現(xiàn)工具等等，“RISC-V 國(guó)際的 Cetola 說：“這也推動(dòng)了 VLSI 設(shè)計(jì)的民主化、推動(dòng)了更高級(jí)別的設(shè)計(jì)描述語(yǔ)言的發(fā)展，復(fù)雜的開源自動(dòng)化工具也加速了設(shè)計(jì)的進(jìn)步，所有這些讓 RISC-V 的能力得到了更大提升。有了設(shè)計(jì)工具和工具鏈，RISC-V 很快就會(huì)變得真正無處不在。”
OpenHW 小組是推動(dòng)行業(yè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的合作項(xiàng)目之一。它正在開發(fā)多種處理器內(nèi)核和支持這些內(nèi)核的周邊 IP。此外，它正在建立一套完整的工具，用于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證這些內(nèi)核。“他們做事的方式是不同的，”Davidmann 說：“一個(gè)是他們會(huì)給你源碼，所以你可以自己修改。更重要的是，他們也給你一個(gè)驗(yàn)證環(huán)境，這樣如果你做了變更也可以驗(yàn)證它能否正常工作。如果有人只是扔給一個(gè)核心，而你改變了其中一些代碼，你就有可能破壞一些東西。你需要一個(gè)復(fù)雜的驗(yàn)證環(huán)境來知道你有沒有破壞它。
而這正是 OpenHW 在開源硬件領(lǐng)域的與眾不同之處，因?yàn)樗麄兲峁┝送暾尿?yàn)證環(huán)境。如果你增加了一條新指令，你可以知道自己有沒有破壞其他指令。我不認(rèn)為人們會(huì)只拿來一個(gè) OpenHW 內(nèi)核就開始用。這沒什么意義。如果你想省錢，你可以這么做。但它的意義在于你可以拿來擴(kuò)展內(nèi)核，而且它是一個(gè)非常好的起點(diǎn)基礎(chǔ)。這就是關(guān)鍵所在。你不是從頭開始。”
擴(kuò)大范圍
這種開源的勢(shì)頭能否擴(kuò)大到處理器核心之外的領(lǐng)域呢？
處理器只是一個(gè)完整的 SoC 的一小部分。SoC 還需要內(nèi)存控制器和內(nèi)存接口、USB、PCI 以及更多組件。這些組件對(duì)產(chǎn)品來說沒什么特殊的，許多人希望它們也是開源的。
問題是，這些組件非常復(fù)雜，它們包含了模擬部分，而這些部分往往是為具體的代工廠和工藝技術(shù)定制設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。雖然控制器也能以開源的方式構(gòu)建，但我們可以說，如果沒有數(shù)字和模擬部分的緊密集成，可能造出來的就是次品。
LowRISC 是一個(gè)在英國(guó)成立的組織。它最初想建立一個(gè)類似樹莓派的開源系統(tǒng)。今天，它在一個(gè)完全協(xié)作的框架內(nèi)開發(fā)硬件和軟件，包括 RISC-V 內(nèi)核，以及支持它的軟件編譯基礎(chǔ)設(shè)施。
最近，谷歌為 silicon root of trust 創(chuàng)建了一個(gè)規(guī)范和 IP。它將這項(xiàng)工作開源，并委托 lowRISC 管理。這里的部分重點(diǎn)是，開放和透明最終會(huì)提高安全性和可信度，而不是帶來修改規(guī)范的能力。
結(jié)論
RISC-V 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并促進(jìn)了創(chuàng)新。雖然免費(fèi)可能對(duì)行業(yè)的某些人來說是很重要的，但真正的關(guān)鍵是自由。這種自由帶來了志同道合的人才、公司和組織，讓他們能夠共同開拓新的領(lǐng)域。它對(duì)創(chuàng)新的貢獻(xiàn)不僅是廣度，更多在于深度。雖然 RISC-V 可能會(huì)讓更多硬件模塊變成開源的，但最重要的收獲也許是人們能夠快速采用處理器的開放規(guī)范并實(shí)現(xiàn)它。
曾幾何時(shí)，當(dāng)工程師們停止開發(fā)他們自己的定制處理器時(shí)，針對(duì)處理器開發(fā)和驗(yàn)證的工具就消失了，因?yàn)樵?20 世紀(jì) 80 年代，那些處理器幾乎沒有提供任何差異性。現(xiàn)在，處理器領(lǐng)域已經(jīng)再次變得高度差異化，為此業(yè)界正在合作開發(fā)必要的工具。一個(gè)尚無答案的問題是，他們創(chuàng)建開源工具的速度能否比 EDA 行業(yè)提供的成品更新速度更快。
原文鏈接：
https://semiengineering.com/why-risc-v-is-succeeding/
作者：BRIAN BAILEY
譯者：王強(qiáng)
策劃：劉燕
下載鏈接：
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