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RISC-V想革ARM的命,先跨過這幾關
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更簡單、更快、更低功耗的硬體,且具有免費、開放、簡單的指令集架構。這聽起來是再好不過的,更高興的是目前RISC-V正在推進這一工作。RISC-V是加州大學伯克利分校工程師開發的指令集架構(ISA),現在由一個基金會管理。
人們已經知道,隨著摩爾定律不再像過去一樣提供高效的回報,那就意味著獨立的通用處理器也不再是創新的“熱土”。
Microsemi的SoC業務部門的產品架構和規劃高級技術總監,RISC-V基金會的董事會成員Ted Speers說:“我們不應該在處理器上花那麼多錢,處理器的成本應該要下降。那就需要你從加速器和新架構等方面進行創新。”
Sonics首席技術官Drew Wingard指出:“從技術上講,管理複雜性的能力已經擴張到了32位元RISC微處理器,而這已經不再被視為複雜的處理物件。”
Drew Wingard說:“微處理器指令集架構的入行門檻是軟體和生態系統。總的來說,微處理器的基礎技術沒有什麼神奇的地方。RISC-V本質上把它帶到了下一個邏輯層次上,讓我們嘗試捕獲一個指令集架構以及足夠的結構和自動化,這樣我們就可以更容易地構建處理器家族。我們會選擇將它作為一個開源的IP來分配,這樣社區就可以添加進來。它具有開源運動的一面,也具有可配置處理器運動的一面,它有機會讓我們重新看待微處理器IP的成本。”
這個市場的商業終端很可能與Linux相同,廠商增加了自己的IP和技術支援。 現在,RISC-V核心的供應商包括Nvidia,Andes Technology,Cortus和Codasip。
 
基於RISC-V的Rocket 核心映射到運行Linux的ZedBoard上。(來源:HotChips)
目前,社會上主流的ISA是x86、ARM、ARC,、MIPS 以及PowerPC,以及在GPU和DSP中使用的其他ISA。但橫空出世的RISC-V已經開始取得一些進展。Nvidia宣佈其SoC將包含RISC-V控制處理器。軟核供應商Andes Technology同樣採用RISC-V的64位架構。
NetSpeed Systems行銷與業務發展副總裁Anush Mohandass表示,從架構的角度看,RISC-V既簡單又優雅,但處理器的成功要比處理器本身更重要。
Mohandass說:“關鍵問題是軟體生態系統。它們會如何發展?這是一個先有雞還是先有蛋的問題。開發者比設計更多,有人必須啟動這個過程,這就是Intel主宰資料中心領域,以及ARM主宰移動領域的原因。是的,當中一部分是架構。但有一部分是生態系統。一旦它獲得了動力,就必須用新的架構來打破這種模式。RISC-V會在新興的物聯網領域進行對沖,因為那裡沒有一個大型的統一平臺。RISC-V在那裡會有機會。 ”
支持RISC-V平臺的人同意這一觀點。加州大學伯克利分校教授,RISC-V基金會的主席,SiFive的聯合創始人Krste Asanovic 正在對其版本進行商業化。。他表示:“對於小型集團來說,RISC-V實施起來是相當簡單的,這樣就使得開啟許多不同的RISC-V內核成為可能。所以市場上的多樣性就更大了。處理器設計工程團隊可以從多個供應商(甚至是開放源碼)中找到一個符合他們需求的版本,或者他們可以自己做一個設計。 自由是這裡最大的特徵。”
Asanovic認為,RISC-V可以平衡競爭環境,並允許供應商在品質或定制的實現方面進行競爭。
採用RISC-V的挑戰
然而,任何新技術都面臨著挑戰。對於RISC-V而言,一個障礙是將其作為一個單一標準,保持ISA的一致性。
“如果將RISC-V分裂,會有許多不同的RISC-V ISA,它們完全不相容,所以基金會的目標是確保有一個標準。大多數核心供應商都明白,RISC-V的最大優點是通用的軟體堆疊。其開發成本遠遠超過了任何核心的開發成本。這對其他核心提供商來說具有巨大的吸引力。他們不需要維護編譯器、連接器、作業系統,以及其他所有東西。這些全部是由社區完成的。”
然而,達到成熟和信賴的程度需要時間。
Sonics的Wingard說:“如果您今天使用的是主流的指令集架構之一,那麼可選擇的調試環境不會超過五種。你可以在這個支持社區裡提出任何其他的東西,並且從供應商那裡得到多種的選擇,這些供應商都擁有悠久的歷史和良好的商業模式。RISC-V世界將不得不重新創造所有這一切,或者弄清楚如何將其適用於現在面向ARM生態系統的晶片設計的最主要的生態系統。或者想辦法讓它適應目前最主流的晶片設計生態系統,即ARM生態系統。 RISC-V五核的商業供應商必須在這方面做出自己的決定,這對RISC-V專案而言是一個巨大的障礙。”
採用RISC-V的另一個障礙是對實現技術的優化。
Wingard說:“他們有了能工作的核心,他們已經證明瞭這一點,但是他們是否要進行基準測試,證明比第7代核心實現商業指令集架構更有效呢?可能暫時不會。在應用程式中,有時會有很多需要處理的問題。我們有一項重要的工作需要去做。我們可以提出一個觀點,在大量的SoC中,CPU應該被稱為控制處理單元,而不是中央處理單元,而這個控制處理器的實際輸送量可能無關緊要。但對於那些設計這些晶片的人來說,他們永遠都不會確定。 這就像是他們寧願擁有的設計餘量。對於給定的處理頻率,他們寧願得到一台性能更高的機器。”
而且,由於RISC-V指令集可以由使用者進行擴展,其中一些改動將影響核心與晶片其餘部分的交互。他解釋說:“這裡有幾門課。一種是增加可以出現在NoC上的新交易類型,或者增加直接與某種緊密耦合的加速器直接對話的能力,比如ARM的DynamiQ技術,在這種技術中,他們有能力直接連接AI輔助處理器。”
Asanovic承認,處理這種分裂是一項挑戰。但是這個基金會的成立是為了管理這個標準,並且讓大家都認同。想要使用RISC-V商標的公司必須先通過相容性測試。
他說:“另一個挑戰是處理專利問題。我們在基礎ISA的設計上非常小心。這很簡單。我們喜歡把它叫做“無聊的RISC”,於是我們回到最初的RISC原則。Dave Patterson與(加州大學伯克利分校)的本科生一起進行家譜搜索,基本上展示出了所有指令的譜系。 對於基礎ISA,他們將其追溯到RISC I,RISC II,RISC III,RISC IV。”
在會員協定中,會員同意不根據基礎ISA規範互相起訴,如果他們執意這樣做,就會失去他們的權利。Asanovic指出:“但是,如果你在專利挑戰方面考察其他專有的ISA,那麼你並沒有太多的保護,你會看到公司A起訴公司B使用了公司C的IP。就像我們最近看到的圖形引擎一樣,所以即使你從X購買,一些公司也會支持它。對於RISC-V來說也是如此。公司正在提供核心,並在標準的商業環境下提供保護。”
雖不成熟,但在成長
RISC-V指令集架構還不成熟。“RISC-V還處在發展的早期階段,”Asanovic如是說:“對於RISC-V而言,並不是所有一切都已經構建起來並切實存在的,但是該領域正在以令人難以置信的速度被填充。開源社區更樂於開源的RISC-V,因此最好最聰明的做法是志願幫助我們推進相關事項。”
而大多數使用RISC-V的專案都屬於微控制器類,對於Unix級應用處理器而言,該指令集走向應用將需要更長的時間。今年基金會的目標是確立標準的Unix平臺,因此工程團隊有必要瞭解標準Unix版本所需的內容。
Asanovic說:“對於開發人員而言,該領域發展的一個重大的里程碑發佈第一塊Unix開發板,這樣他們就可以開始移植Unix。對於RISC-V指令集架構,可以考慮插入的應用實際處於低端和高端,諸如機器學習加速器,網路處理或存儲控制器之類的新應用程式,甚至是超級電腦。在這些領域,人們可以嘗試新的ISAs。”
如果你想構建自己的晶片,在現有領域內你的工作範圍其實非常有限,所以在高端市場做自己的事,同時卻擁有一個好的軟體埠是人們對高端產品感興趣的原因。如果你是大型雲服務提供者之一,那你肯定想做自己的處理器晶片。 RISC-V指令集架構可能是你非常感興趣的東西,在三到四年的時間裡,它甚至可能會被大量使用。
對設計流程影響
實際上,從微架構的角度來看,RISC-V對設計流程的影響可能很大。
“如果因為正在使用不同介面而放棄使用現有的IP內核生態系統,可能會碰到一些重大的中斷。但在綜合、佈線等方面,沒有任何影響。”Wingard稱。
“當我們開始著手構建晶片升級所需的基礎設施,諸如調試基礎架構等,RISC-V是有重大影響的。這也就是開源RISC-V社區必須投入大量精力的地方,唯有如此,才能使之成為與現有豐富技術相媲美的技術。在軟體層面上,圍繞資料庫和設備驅動程式有大量相關的工作要做。對於設計流程的這些階段,目前存在一大堆工作。”
關於對設計流程的影響,Mohandass在短期內只關注一個問題。“假設你有一個新的ISA、一個新的處理器,短期內必須徹底驗證其性能,當它即時運行時,人們比較關注魯棒性能,關注架構是否可靠?是否起作用?一旦它在矽片量產中得到證實時,這些問題就消失了。只有這樣,您才會看到精緻而簡單的架構的真正好處。”
“儘管RISC-V並不是第一個開源ISA,但是在過去幾年中一直處於整合的半導體行業,開源RISC-V的到來很有意思。”Mobivil的CEO Ravi Thummarukudy表示。
“隨著行業發展成熟,企業主要是通過整合實現業務增長。規模較小的企業發現,在大多數細分市場中很難取代現有的巨頭,那就別說發展成熟。隨著半導體製造成本的增加,對小型初創企業的投資,尤其是在新CPU架構方面的投資減少了。那麼在CPU架構上突破創新的唯一現實可能性在於,通過彙聚集體創造力和可用資金來打造開源環境。”
與此同時,雲計算和物聯網也在推動半導體的“消費”。
“在資料中心方面,英特爾的ISA主要佔據了處理器市場,ARM和其他架構佔有極小的市場份額,” Thummarukudy稱,“我不期望這個情況有多大變化。然而,在終端或感測器方面,事情則完全不同。這就是今天市場上最大的創新。物聯網設備的處理器架構需要低功耗、高性價比的CPU,這種需求給初創企業提供了一條創新途徑,它們可以用較小的預算創新各種新的SoC。這也是RISC-V最大的優勢。”
與此同時,Thummarukudy還補充說,在這樣一個軟體驅動的世界裡,對RISC-V ISA的軟體支援至關重要。ISA的成功與否將取決於一個穩定的軟體生態系統創建和維護的時間有多快,以便短期內啟用與RISC-V相關的許多新應用。
Uniquify行銷副總裁Graham Bell認為,RISC-V指令集架構將推動物聯網領域新一輪熱潮,特別是當它需要在半導體設計IP中看到的可擴展功能(例記憶體編譯器),並將其引入到沒有專有路障的處理器開發中。
“RISC-V支援對解決問題的指令集定義,節省矽和相關成本,並允許對低功耗和處理性能要求進行適當均衡。它能夠為一到二十萬美元支出的專案創造功能性矽片,這意味著對於那些打算開始原型專案的人來說,門檻已經大幅度下降。我們甚至可以看到在傳統設計領域之外的企業家眾籌的專案資金。除了降低入門成本外,RISC-V可以免去專有CPU IP的特許權使用費(專利費),並使得生產成本持續降低,進而推動更多產品更快投入市場。
Microsemi的Speers表示,Linux支持受到里程碑式的“碰撞”,基於此,RISC-V基金會認為,Linux 4.1是時候應該為RISC-V提供支援了。
在軟體前端的另一個考慮是使用硬體交換機來轉換軟體方法的可能性。
“如果我是高級工程經理,或者工程總監,又或工程副總裁,我將使用RISC-V指令集架構開始我的軟體方法的過渡。你已經有了一個過渡過程,還有一個開關,由於人們將不得不用新的調試器或其他工具來調試RISC-V, 你有一個轉換,你有一個開關,因為人們將不得不使用新的調試器或其他工具為RISC-V,因此方法也要有小小的改變。”Imperas銷售副總裁Larry Lapides表示。
然而,從商業模式的角度來看,RISC-V是具有破壞性的,Mohandass說。“這是完全的開源方式,它試圖削弱ARM的影響力,削弱CPU或其他核心如工作以及它們的受重視程度。
Wingard認為,如果RISC-V成功,它將更像是Linux模型,其次,它像是任一種其他開源商業模式,因為通常大多數開源項目背後都只有很少數公司。
如果您想在商業環境中使用開原始程式碼,那麼向開放原始程式碼項目貢獻最多代碼的使用者群組成一種服務型公司,這使得人們在商業環境中感到很舒服,這並不少見。但是在Linux世界中,圍繞這個角色(服務型公司)的競爭很激烈。
首先,沒有一家公司是Linux內核最大的貢獻者。
第二,代碼行的總量非常巨大。
第三,如果沒有一些類資料庫和應用程式,以及構建塊和編碼的東西,作業系統本身就不是很有趣,所以有很多很多的東西需要考慮。
已經有許多相關的組織,其中紅帽是最大的,但它們絕不是唯一的。人們對Linux的不同變體感到非常興奮,他們採取不同商業模式的支付方式,但實際上絕大多數非桌面計算現在都在Linux上運行,而且這些機器中的大多數被用於商業目的。我們可以從這裡看到,軟體服務公司需要支付費用,它們已經達到了一種無處不在的程度,證明這種基於服務的模式和企業授權的模式是有效的。
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