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ARM或遭挑戰? RISC-V未來前景如何

2019/6/12 10:04:16   電源在線網
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  近日,RISC-V指令集和開源硬件的領導者SiFive宣布,公司完成了6540萬美元(約合人民幣4.5億)的融資。其中,移動芯片市場的巨頭高通也參與了SiFive的融資。

  2019年2月,西部數據公司在德國紐倫堡嵌入式世界展上介紹了其產品已經使用了RISC-V架構處理器,每年出貨超過10億顆RISC-V芯片,未來還將翻倍。RISC-V基金會被邀請在紐倫堡大會上舉辦一個全天的課程和RISC-V專區展示,包括Andes Technology、CloudBEAR、GreenWaves Technologies、Imperas Software、SiFive、Syntacore和UltraSoC等成員公司和大學的演講。展覽期間筆者看到許多著名的嵌入式軟件和工具公司,都開始支持RISC-V。比如,德國SEGGER、勞特巴赫、瑞典IAR、Amazon FreeRTOS、嵌入式芯片公司NXP和Microchip,都展示出他們的RISC-V MCU產品。

  RISC-V是開源指令集架構

  RISC-V是一種開源的指令集架構,它不是一款CPU產品。一個CPU支持的指令和指令的字節級編碼,就是CPU的指令集(ISA)。ISA在CPU軟件和CPU硬件設計者之間,提供了一個抽象層(接口)。

  不同的CPU家族,例如Intel X86、IBM/Freescale PowerPC和ARM,都有不同的ISA。RISC-V是其中唯一的開源ISA,它起源于加州伯克利大學,采用開源BSD license,任何企業、大學和個人都可以遵循RISC-V架構設計CPU,現在全球已有幾十個開源版本RISC-V CPU核。

  商業公司定制適合自己使用的RISC-V內核,比如西部數據的SweRV(RISCV 32IMC Core),還有一些商業IP公司開發RISC-V CPU IP,比如名氣最多的SiFive已經有E和S核2、3、5、7四大系列,覆蓋32位—64位嵌入式和高端應用處理器領域。

  如何管理RISC-V開源項目?RISC-V基金會成立于2015年,由超過235名成員組成,其中有20家中國機構。它是開放、協作的軟件和硬件創新者社區,基金會指導未來發展并推動RISC-V ISA廣泛應用。

  中國有RISC-V產業和中國開放指令生態(RISC-V)兩個聯盟,推動RISC-V在中國的發展。

  RISC-V具有三大優勢

  RISC-V最大的優勢就是開源和免費。免費意味著RISC-V可以幫助開發者低成本完成CPU設計,如果最終量產,那么就免去面對版稅糾紛。ISA開源意味著開發者可以針對特定應用場景,比如近期火熱的AIoT市場,創造自己的AIoT芯片架構。當然,基金會鼓勵使用RISC-V指令集標準模塊或者組合。比如,蘇黎世聯邦理工大學(ETH Zurich)開源的Zero-riscy內核,采用是RV32IMC,RV32I指令加上M擴展和C擴展,M指的整數乘法和除法,C指的是壓縮。NXP織女星開發板(VGEA)MCU采用的就是Zero—riscy開源內核。

  RISC-V第二個優勢就是簡單。基礎指令集只有40多條,短小精悍的架構和模塊化指令集讓使用RISC-V技術的芯片設計者,可以開發出很簡單的RISC-V CPU。該CPU功耗可以很小,代碼密度也比較低。為了滿足嵌入式和物聯網對代碼體積的高要求,RISC-V定義了一種可選的壓縮(Compressed)指令子集,由字母C表示,也可以由RVC表示。測試表明,RV32C的代碼體積相比RV32的代碼體積減少了40%,與ARM、MIPS和x86等架構相比,都有不錯的表現,甚至與ARM Thumb-2基本一樣。

  RISC-V第三個優勢是靈活性。RISC-V架構通過預留大量的編碼空間和4條用戶指令,可以幫助用戶擴展指令集。這個特性在現在的AIoT和信息安全市場,獲得了特別的關注。

  RISC-V商業IP公司,比如,Andes(晶心科技),還提供了定制化指令工具Andes Custom Extension,讓用戶在做應用加速的時候,可以達到更快、更有效率的方式。

  多核異構是RISC-V架構芯片設計的一個特點,比如,法國GreenWave開發的Gap8 CPU,內置8個RISC-V內核和AI加速器,功耗優化的很低,面向AI邊緣技術節點設備。

  生態建設是關鍵

  決定一款CPU是否能夠廣泛普及的因素中,架構和指令集并不是最重要的事情。歷史上X86橫掃桌面電腦、POWERPC獨占通訊設備、ARM稱雄移動終端,以及8051/PIC/MSP430/ATMEL百花齊放單片機世界,重要的是CPU所擁有的生態環境。比如,一款通用的嵌入式CPU,需要讓開發者很方便地接觸到中文資料文檔、簡單易用的開源商業開發工具、固件庫、軟件庫、嵌入式OS和Linux以及豐富設計方案。

  生態建設最漫長的環節是大學計劃。大學計劃做的好,學生從畢業開始,就已經掌握CPU的架構和使用方法。比如,高校的微機原理課程長期以X86和ARM為基礎,嵌入式課程多是ARM架構,單片機課程除了ARM還有一些8051。

  今天開源的RISC-V架構在高校很受歡迎。在嵌入式系統聯誼會組織的“RISC-V架構嵌入式開發研究與實踐技術沙龍”上,清華大學陳渝副教授指出,RISC-V來源于學校,已經經過長期探索。而且,它是開源的,學生可以接觸到關于它的所有信息,不像x86和Arm,很難深入了解更多細節。所以,RISC-V更容易開發應用軟件和操作系統。很多教師選擇RUST語言指導學生在RISC-V架構上寫一個小操作系統,高校關注RISC-V的老師們越多,或者開設的基于RISC-V課越多,將來畢業學生上手就越快。RISC-V中文圖書并不多,芯來科技創始人胡振波的兩本書是學習RISC-V的寶典。最近開始的由NXP發起的Open-ISA開源社區RISC-V MCU創新大賽也是RISC-V生態建設的很好的嘗試,希望能在更多的電子、嵌入式和物聯網大賽中看到RISC-V芯片的身影。

  標準化還是多樣化?

  現有的CPU架構多是通用性的。在IoT場景中,許多智能分析工作正在向邊緣轉移。根據特定的需求,使用RISC-V架構定制化IoT芯片更靈活,而且有針對性。現在RISC-V架構的設計,除了基礎的指令集保證系統軟件、開發環境的兼容性之外,它本身允許按照新的不同開發應用進行擴展,這樣可以保證IoT應用中的專用性需求。

  NXP中國MCU高級經理梁平最近撰文指出:“對于這種非標準的部分,將較難受益于豐富的生態機制,其生產廠家自行提供相應的支持和配套的解決方案,例如需要修改編譯器以支持新的指令、需要增改配置調試工具以適應新的總線或存儲接口等。”

  筆者觀察到,著名的嵌入式編譯器公司最近發布的IAR Embedded Workbench for RISC-V也只能支持RV32IM/IMC/IMF/IMFC/IMFD/IMFDC基礎指令和標準擴展指令集。各種定制化的芯片只能支持該芯片企業自己維護的工具鏈,每家芯片公司維護自身RISC-V架構的編譯器、SDK、工具鏈,基于GCC、LLVM等實現開源化,是一個耗時耗力巨大的工程。期待未來RISC-V與Linux基金會的合作,帶來RISC-V軟件的突破。然而,要使RISC-V真正在商業基礎上起飛,還需要商業級工具和軟件。

  物聯網和嵌入式將是RISC-V最先落地和最大的應用市場。因為生態的關系,相當一段時間內,RISC-V將與ARM同行發展,即一個設計中,既能使用ARM也能使用RISC-V,或者同一顆芯片里,可以同時有兩種內核。RISC-V發展中要防范碎片化,聯盟應加強引導,先是做標準化,共同做大RISC-V蛋糕,然后才是差異化。未來RISC-V生態環境要從圍繞芯片設計轉向開發者教育和實踐階段。據悉今年夏末,國內某著名MCU企業將推出RISC-V通用MCU,屆時RISC-V“談芯”將轉向“用芯”,智聯網時代的嵌入式開發者將更方便的評估和使用RISC-V這一新技術。

   作者何小慶,系中國軟件行業協會嵌入式系統分會副理事長

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