RISC-V 2023:难点也是突破点

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关键词:RISC-V

    全球首款集成3D GPU的量产RISC-V单板计算机——昉·星光 2

    近期,开源RISC-V再次走到聚光灯下。不久前,腾讯公司加入开源指令集标准RISC-V国际协会(RISC-V International)。继阿里巴巴、华为、紫光展锐、中兴通讯、赛昉科技、中科院等企业和机构之后,RISC-V阵营中迎来了新的中国成员。

    RISC-V是基于精简指令集计算原理建立的开放指令集,最核心的优势在于完全免费开放,不会有版权纠纷问题。全球越来越多的公司对这一新兴架构充满期待,但是,RISC-V想在未来产品和应用中担任更重要的角色,尤其是中国企业想要借此发挥更大的作用,还有很多“拦路虎”要扫除。

    需跨越从原型到产品的“死亡之谷”

    从加利福尼亚大学伯克利分校的一个实验室中翩然起步,如今距离RISC-V的诞生已经过了十年有余。这个每每被谈及,必与X86、Arm相提并论的新兴指令集架构,正在物联网、云端等更多应用场景中发挥潜能,吸引了众多企业纷纷布局。IP厂商Imagination在2022年夏季推出了首款商用RISC-V内核,用于片上系统(SoC)设计;英特尔2022年2月宣布正式加入RISC-V国际协会,并且投资4亿欧元与西班牙超算中心合作,计划在10年内开发出基于RISC-V的超算CPU;谷歌将为RISC-V芯片推出新的开源操作系统。

    在与Arm的“专利战”爆发后,高通对RISC-V的布局更加积极。高通产品管理总监Manju Varma表示,高通已经基于RISC-V打造了许多产品,截至2022年底,采用RISC-V架构的高通芯片出货量已经超过6.5亿颗。目前,高通的PC、移动设备、可穿戴设备、联网汽车以及AR/VR头显的SoC中都使用了RISC-V微控制器。据市场调研公司Semico Research预测,到2027年,市场上将有250亿个基于RISC-V的AI SoC,预计同年收入达到2910亿美元。

    RISC-V于2017年进入中国产业界,赛昉科技是第一批投身RISC-V发展的国内企业,对RISC-V理解颇深。

    “截至2022年末,我国大约有50款不同型号的国产RISC-V芯片量产,应用场景集中在MCU、电源管理、无线连接、存储控制、物联网等中低端场景。”赛昉科技资深销售总监周杰对《中国电子报》记者表示,我国的RISC-V技术落地已度过了初级阶段。但需要看到的是,RISC-V在国内产业化和商业化之路上,仍面临两大“拦路虎”。

    周杰认为,RISC-V将走向开放应用场景,建立成熟的软件生态将是RISC-V在开放应用场景落地的最大挑战。目前量产的芯片,大多是用在相对封闭的应用场景,软件需求相对简单和固定,芯片原厂就能实现70%的软件。到了开放应用场景,软件需求会呈指数级增长,例如各种操作系统的移植,中间件和库函数的优化,以及各种开发框架的适配等,每一个技术点都是巨大的工程,必须联合芯片原厂、第三方软件公司、开源社区一起合作全力投入。

    第二大挑战与RISC-V将向高性能应用场景渗透有关。周杰表示,中高端RISC-V芯片从设计方案,到流片成功,到定制开发,再到大规模量产,最终完成销售,需要极其强大的人力和财力的支持。对芯片公司来说,组建一个具备高端芯片设计、研发、销售能力的端到端的完整团队十分重要,而国内高端芯片人才紧缺,芯片公司抢人之风盛行,十分不利于团队的组建。另外,初创的RISC-V芯片公司需要大量的资金维持研发需求,在半导体投资遇冷的背景下,他们的发展也并不容易。

    事实上,所有指令集都需要经历从原型到产品的“死亡之谷”。在北京开源芯片研究院助理院长唐丹看来,这个阶段有时候并不完全是技术上的问题,其实重点还是在于市场牵引。如果没有市场牵引,仅靠单方面的技术迭代,无论是技术上还是时间周期上都有很高的难度。

    “RISC-V的产业化目前的难度还是在于没有找到明确的市场切入点,也就是‘杀手级’应用场景。”唐丹以Arm为例对《中国电子报》记者表示,在移动端生态出现的前几十年,Arm的发展也较为缓慢。目前,RISC-V在软件生态链较短的IoT应用场景,特别是需要根据应用场景定制的市场,已经有广泛的应用。但一个生态真正成熟还是要靠高端生态牵引。RISC-V要实现可靠和高质量的商业化解决方案,一方面需要不断完善RISC-V指令集的标准规范,另一方面还需要找到明确应用场景,产生可以进行技术迭代的机会。

    全球首款量产的高性能多媒体RISC-V SoC芯片平台——昉·惊鸿7110

    高性能RISC-V处理器需与基础软件同步研发

    “当前,RISC-V指令集的软件适配工作的进展速度已经非常快,这与RISC-V指令集开放免费的优势被全球软件开发者看好有直接关联。”唐丹对记者表示,目前,绝大部分核心基础软件已经完成与RISC-V指令集的适配。例如2019年以来,16268个Debian操作系统软件包中已有15148个完成与RISC-V指令集的适配,适配率已超过95%。RISC-V已经成为Debian支持的Tier-1架构,仅次于X86和Arm。

    有观点认为,向高性能发展RISC-V,会面临来自处理器性能和软件适配方面的技术挑战。对此,唐丹向记者指出,处理器的性能和稳定性并不矛盾。一方面,要在处理器的设计中加强验证工作可以提升稳定性。另一方面,处理器的稳定性还要经过市场检验,在使用中发现潜在问题。

    “高性能RISC-V处理器需要与基础软件同步研发,才能更好与基础软件进行适配。在处理器不同研发阶段就引入基础软件的测试和验证,一方面能发现处理器设计中的功能问题,另外还能在处理器设计中对性能进行评估,进行针对性改进。”唐丹说。

    软件生态是RISC-V在高性能应用领域落地的关键。周杰认为,高性能的芯片若要实现落地,一定要与RISC-V底层框架、操作系统、中间件、关键库、应用软件全方位适配。目前,赛昉科技与OpenHarmony、Fedora、OpenEuler、OpenSUSE、Ubuntu、麒麟、统信等开源社区和第三方伙伴合作,积极推动RISC-V与基础软件适配。


    资料来源:Omdia,RISC-V处理器报告

    RISC-V如今已跃入高性能计算元年。在 RISC-V高性能计算领域,已有多家创新企业计划在2023年发布类似64核高性能的服务器级处理器,这将成为RISC-V下一个令人激动的里程碑。

    不过,RISC-V在高性能计算的应用还面临一些亟待解决的问题。在澎峰科技联合创始人兼首席运营官王军辉看来,RISC-V体系需要构建一套数学计算库,以支持 RISC-V在高性能计算的应用,保证计算精度、计算效率与源代码级安全可控。

    在算力驱动的数字经济时代,计算硬件呈现出多样性的特点。RISC-V因其开放性,比X86和Arm的生态更加丰富多样,会导致严重的碎片化问题。基于此,王军辉认为,RISC-V应回归到垂直整合的思路上来,要去思考如何前瞻性地理解应用。

    “从计算语言到编译器,到底层数学计算库,再到计算机体系结构,RISC-V要在多个方面实现垂直整合。存量市场只有赤裸裸的性价比竞争,瞄准增量市场才有跨越式发展的可能。”王军辉对记者说。

    全球异构计算领域,英特尔、英伟达和AMD形成了互相制衡的“三国杀”格局。王军辉说,当前,国际三大领先企业凭借雄厚的资本与实力各自为战,都在整合CPU、GPU和FPGA等异构计算硬件平台,布局CUDA、OneAPI和ROCm异构计算软件栈,试图形成自己的软硬融合生态体系,展开封闭和开放生态之争。在此情况下,RISC-V要解决异构生态问题,在构建高性能异构计算软件栈的同时,实现软硬融合。

    构建可持续生态是核心考题

    从使用开源到参与开源,再到走向贡献开源甚至部分主导开源,中国在RISC-V开源领域有了更深、更广的尝试。中国工程院院士廖湘科指出,开放开源是软件根技术创新,特别是发展操作系统这类基础软件的重要途径,充分利用开源,联合开发者、社区、软硬件上下游产业链企业,共同发展壮大国产操作系统产业是当前最为行之有效的路径。

    2025年RISC-V占比最大的三个市场

    数据来源:Counterpoint

    “我国企业积极自发参与RISC-V国际协会,说明大家已经看到RISC-V指令集生态的前景,对我国和全世界RISC-V生态都有极大帮助。”唐丹对记者表示,在RISC-V指令集生态建设过程中,与我国参与3GPP组织和5G移动通信类似,我国一方面要积极参与RISC-V国际协会,推动、参与甚至主导相应标准规范制定工作,另一方面要加强产品研发和推广工作,充分发挥我国人口多、市场大、工程师多和产业政策灵活的优势,在市场中积极应用和推广RISC-V生态,加快RISC-V产业生态的成熟进程。

    放眼RISC-V,由于诞生时间较短,RISC-V在中国本土市场,相关编译器、开发工具和软件开发环境及其他生态要素还在积极建设当中。此外,RISC-V早期的发展大多在国外,因此国际协作至为关键。要让RISC-V持续良性向前发展,显然还需要更多生态伙伴的参与和配合,如何构建一个可持续的生态是摆在RISC-V面前的一道核心考题。

    唐丹认为,编译器、开发工具和集成开发环境(IDE)及其他生态要素,很大程度上属于基础共性技术。我国在完善RISC-V生态的过程中,需要对这些基础共性技术进行梳理,组织企业间的合作共享要对这些基础共性技术进行联合攻关,避免每个企业单独进行重复性研发,造成研发资源浪费。

    中国市场本土的RISC-V编译器、开发工具、IDE与其他生态建设,离不开有投入意愿的企业和人才。但需要看到的是,目前相关企业和人才其实存在缺失。

    针对缺少有投入意愿的企业,周杰进一步表示,编译器、开发工具、IDE等RISC-V配套生态很难做出高营收、高估值公司,继而很难受到资本青睐,融资困难让很多有能力的人选择继续在国际大公司从业而放弃创业。此外,国内尊重软件版权的意识还需要提升,再加上RISC-V有不少开源工具可以直接使用,因此部分企业选择直接使用开源工具,或者基于开源版本自己做优化。

    对此,周杰建议,在政策层面,政府和相关国家机构尽快牵头推动 RISC-V 开源指令集成为行业标准,并鼓励国内相关企业参与到标准规范的讨论与制定,同时,继续完善法律,为知识产权创造一片更为安全的土壤;在生态建设层面, 国家应引导和鼓励产学研生态合作,出台具体的扶持政策、措施, 鼓励、支持RISC-V 相关企业参与到完善开源软件生态中;在资本层面,国家可以多扶植相关的软件生态公司,从大局的角度进行投资。

    谈及人才、编译器、仿真器等开发工具人才培养问题,周杰希望更多学校可以开设相关专业基础教学,引入海外优秀教育资源。

    最后,周杰认为,国家应当鼓励信创或教育行业的试点项目采购含有RISC-V芯片的产品或方案,以应用需求带动产品迭代和发展。


    (审核编辑: 智汇闻)