AI芯片的十字路口：RISC-V能帶來(lái)下一代芯片嗎？

在芯片領(lǐng)域，X86架構(gòu)可以說(shuō)定義了PC時(shí)代；Arm則在移動(dòng)端一枝獨(dú)秀。但隨著芯片自主化、定制化的需求增長(zhǎng)，開(kāi)源、高效的新興架構(gòu)RISC-V（第五代精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)）正在吸引大量關(guān)注，很可能在未來(lái)與X86、Arm呈現(xiàn)三足鼎立的格局。

今年6月，蘋(píng)果在WWDC大會(huì)上正式宣布將逐步轉(zhuǎn)向自研Arm架構(gòu)，打造更加高效、低能耗、適應(yīng)自己的軟硬件生態(tài)。這是未來(lái)趨勢(shì)的一個(gè)注腳：越來(lái)越多的公司希望能有更適應(yīng)自己產(chǎn)品和需求的獨(dú)特芯片，而具有精簡(jiǎn)、開(kāi)源、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)的RISC-V，恰恰可以提供這樣的可能性。

它打破了過(guò)去X86、ARM架構(gòu)高價(jià)授權(quán)費(fèi)、定制化困難的慣例，大到三星、高通，小到各類創(chuàng)業(yè)公司都在使用其開(kāi)源架構(gòu)進(jìn)行芯片開(kāi)發(fā)。行業(yè)里評(píng)價(jià)，RISC-V可能會(huì)成為“硬件領(lǐng)域的Linux”。

在各大巨頭紛紛入局，新一代芯片生態(tài)不斷發(fā)展之際，鈦媒體了解到，一家芯片公司睿思芯科走在了這條路的前列。其創(chuàng)始人譚章熹是RISC-V奠基人David Patterson教授的直系弟子，早在2017年就已經(jīng)開(kāi)始著手研發(fā)產(chǎn)品。他帶領(lǐng)著經(jīng)驗(yàn)豐富的半導(dǎo)體研發(fā)團(tuán)隊(duì)，打造出了一套基于RISC-V的芯片解決方案。

睿思芯科開(kāi)發(fā)的ORV32內(nèi)核相對(duì)相似產(chǎn)品的性能優(yōu)勢(shì)，圖表由睿思芯科提供

“RISC-V的生態(tài)固然值得關(guān)注，最重要的仍是在這個(gè)基礎(chǔ)上做出具有落地能力的完整芯片解決方案。睿思芯科的產(chǎn)品包括全自主設(shè)計(jì)CPU內(nèi)核到SiP芯片封裝，針對(duì)AIoT時(shí)代的需求，完成了功耗、速度、通用性、安全、定制化等多個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)化。”譚章熹表示。

看好垂直領(lǐng)域需求，瞄準(zhǔn)AIoT市場(chǎng)

睿思芯科的產(chǎn)品邏輯來(lái)自于，在高度離散化的AIoT時(shí)代，不同企業(yè)對(duì)于芯片的需求也在大幅改變——過(guò)去，芯片大部分用X86或ARM架構(gòu)，在IP授權(quán)方面有較為嚴(yán)格的限制，很難根據(jù)各個(gè)企業(yè)的不同需求完成定制，同樣在PC或移動(dòng)端時(shí)代，許多產(chǎn)品的芯片功能需求也并沒(méi)有太大差異。隨著AIoT逐漸進(jìn)入我們的生活，不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)于功耗和體積較為敏感，應(yīng)用則往往更“專”，不需要一個(gè)面面俱到卻能耗大、復(fù)雜的芯片，對(duì)定制化需求更高。AI芯片則往往對(duì)于優(yōu)化大規(guī)模數(shù)據(jù)運(yùn)算有強(qiáng)烈需求，需要通過(guò)定制化指令集來(lái)進(jìn)行效能提升。

而RISC-V的可定制化、精簡(jiǎn)、高效低能耗等特性，恰好契合了這些需求變化。

睿思芯科的產(chǎn)品線涵蓋高效、低能耗的各類芯片。目前發(fā)布的Pygmy為單核32位MCU，包含自己設(shè)計(jì)的RISC-V內(nèi)核ORV32，針對(duì)高效、低耗能的IoT場(chǎng)景，比如家電互聯(lián)、電池供電等。

Pygmy實(shí)物圖

“試想，在IoT時(shí)代，假如用戶數(shù)小時(shí)就得給設(shè)備充電，幾乎是不太可能有真正的應(yīng)用場(chǎng)景的，這也就意味著，高效、低功耗的芯片成為了IoT市場(chǎng)走向大眾的剛需?！弊T章熹說(shuō)道。他在閃存和硬件加速器領(lǐng)域擁有20多份專利，曾領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品Pure FlashBlade 2017年榮獲AI硬件領(lǐng)域的AIconics最佳創(chuàng)新獎(jiǎng)，目前Tesla，奔馳F1賽車(chē)隊(duì)等都在使用它?？梢哉f(shuō)，這是國(guó)內(nèi)在RISC-V領(lǐng)域最有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)之一。

睿思芯科的副總裁王衛(wèi)，曾任Juniper大中國(guó)區(qū)技術(shù)總監(jiān)、大中國(guó)區(qū)總裁，其他團(tuán)隊(duì)成員擁有多年半導(dǎo)體企業(yè)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)及大規(guī)模流片實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在其硅谷美研中心，團(tuán)隊(duì)成員多數(shù)擁有名校背景，具有RISC-V和AI芯片領(lǐng)域優(yōu)秀的研發(fā)實(shí)力。

此前，對(duì)于AI領(lǐng)域的芯片來(lái)說(shuō)，性能與適用性往往不可兼得。

過(guò)去的芯片架構(gòu)往往將AI模塊放在CPU外，導(dǎo)致效率較低。如今，針對(duì)AI需求設(shè)計(jì)的ASIC芯片雖然能針對(duì)單個(gè)算法應(yīng)用做到大幅度加速，但適用性較差。

而基于GPU來(lái)打造的AI芯片，適用性很強(qiáng)，然而能效比卻常常過(guò)低。無(wú)法使用端側(cè)高能效，低功耗的場(chǎng)景。

正是因此，睿思芯科瞄準(zhǔn)的是“在高性能與通用性中找到平衡”，完全以RISC-V來(lái)開(kāi)發(fā)，通過(guò)CPU結(jié)合向量擴(kuò)展指令集，完成硬件加速。這也意味著不僅能在嵌入式應(yīng)用達(dá)到laptop級(jí)別性能，還可以比較容易地應(yīng)用在AIoT及AI的各個(gè)領(lǐng)域中。

軟硬件一體開(kāi)發(fā)、做芯片界的蘋(píng)果

除了睿思芯科以外，市面上RISC-V相關(guān)的芯片企業(yè)也正蓬勃發(fā)展，其中有一部分企業(yè)用不同的架構(gòu)進(jìn)行混合研發(fā)，或是專注于ASIC芯片，方向各異。

“開(kāi)源RISC-V出現(xiàn)后，市面上有了很多基于各種開(kāi)源RISC-V實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品。但是開(kāi)源處理器的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量參差不齊，就與Android tablet一樣，功耗，性能從端到端的表現(xiàn)都會(huì)有比較大的差異。睿思的RISC-V則是像apple產(chǎn)品從軟件支持，內(nèi)核微架構(gòu)設(shè)計(jì)，SoC系統(tǒng)優(yōu)化，以及到封裝提供更好的用戶體驗(yàn)?！弊T章熹表示。

睿思芯科擅長(zhǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，自主設(shè)計(jì)ORV系列CPU架構(gòu)，保證性能；其Pygmy系列產(chǎn)品再集成不同組件，通過(guò)SIP（System in a package）方式進(jìn)行封裝。目前，睿思芯科有完整的產(chǎn)品交付能力，可以提供從RISC-V內(nèi)核到SiP形式交付特定用戶系統(tǒng)的解決方案。

以O(shè)RV32（基于RISC-V實(shí)現(xiàn)的32位內(nèi)核）為例，它在性能和功耗上就和市面上其他開(kāi)源RISC-V芯片有較大差別。

ORV32功耗相對(duì)相似產(chǎn)品較低，圖片由睿思芯科提供

ORV32內(nèi)核在多個(gè)測(cè)試平臺(tái)上性能對(duì)比結(jié)果顯示，ORV32在Dhrystone 上比同行中出色芯片處理速度快46%；在CoreMark上測(cè)試，高出目前最快的同類型RISC-V芯片還多18%。

睿思芯科提供的對(duì)比分析顯示，其自主設(shè)計(jì)的RISC-V芯片，在通用CPU性能基準(zhǔn)測(cè)試中表現(xiàn)出色，對(duì)比幾款不同的主流RISC-V開(kāi)源芯片，性能普遍超出50%以上。

另一方面，睿思芯科的產(chǎn)品也很好地反應(yīng)出可擴(kuò)展的特性——這正是RISC-V指令集的優(yōu)勢(shì)——從軟件到硬件都擁有針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景增加擴(kuò)展指令的能力。

“在AIoT領(lǐng)域，功耗，性能，安全的幾大關(guān)注點(diǎn)都需要系統(tǒng)級(jí)（軟硬件各個(gè)層面）優(yōu)化才能保證良好的使用體驗(yàn)。硬件上，我們的CPU大幅領(lǐng)先常見(jiàn)的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)。軟件上我們支持商業(yè)操作系統(tǒng)，并提供安全/功耗的相關(guān)核心軟件，這也意味著Pygmy系列是更為完整的解決方案?！?/p>

“通過(guò)軟硬件一體化的設(shè)計(jì)，我們自主研發(fā)的芯片能夠讓用戶不用修改太多軟件源代碼就可以無(wú)縫升級(jí)（類似于software的forward compatibility，軟件向前兼容），跟過(guò)去的芯片升級(jí)換代的經(jīng)驗(yàn)類似。”譚章熹表示，在摩爾定律失效之后，需要在架構(gòu)上、一體化設(shè)計(jì)上做創(chuàng)新，讓用戶仍舊體會(huì)到相同頻率的效率提升。

在芯片領(lǐng)域，強(qiáng)力軟件的支持和兼容性是一個(gè)重要的議題。睿思的Pygmy系列chip，除了很早就支持Linux之外，還廣泛支持Amazon FreeRTOS, ThreadX, Azure RTOS等商用操作系統(tǒng)。Pygmy系列處理器支持TEE（Trusted Execution Environment)。安全方面的支持需要除CPU外整個(gè)SoC系統(tǒng)的支持。而Pygmy提供根植于硬件的信任度，軟件上受信任的固件支持受信任的安全啟動(dòng)，固件升級(jí)和修復(fù)。

時(shí)間窗口與未來(lái)生態(tài)

不僅是睿思芯科或其他基于RISC-V開(kāi)發(fā)芯片的廠商，Intel、AMD也在探索把AI模塊集成在CPU上的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)AI時(shí)代的需要。

老牌指令集架構(gòu)廠商Arm也在今年2月發(fā)布了Cortex-M55核心架構(gòu)，提供新的Helium128-bit向量執(zhí)行單元，助力Cortex-M系列嵌入式CPU的深度學(xué)習(xí)。值得一提的是，Pygmy中的向量執(zhí)行單元為512-bit寬為ARM Helium的4倍，相當(dāng)于Intel最新的AVX512的寬度。

另一方面，從發(fā)布到芯片真正完成設(shè)計(jì)生產(chǎn)，大概需要18-24個(gè)月的時(shí)間，起步較早的RISC-V架構(gòu)也就有了在這段時(shí)間內(nèi)蓬勃發(fā)展的窗口期。

根據(jù)Semico Research & Consulting 去年發(fā)布的《RISC-V市場(chǎng)分析：新興市場(chǎng)》報(bào)告，基于RISC-V開(kāi)發(fā)的芯片可對(duì)各個(gè)不同的芯片產(chǎn)品都有重要價(jià)值，包括高性能多核SoC（system on chip）、價(jià)值多核SoC、基本SoC，以及FPGA（Field-programmable gate arrays）等等。

報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2025年，采用RISC-V架構(gòu)的芯片數(shù)量將增至624億顆，2018年至2025年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)146%。這些芯片將主要應(yīng)用在工業(yè)市場(chǎng)，PC、消費(fèi)電子和通訊市場(chǎng)等。

嘗試RISC-V架構(gòu)的巨頭名單也在不斷增加：IBM、NXP、西部數(shù)據(jù)、英偉達(dá)、高通、三星、谷歌、華為、阿里、Red Hat與特斯拉等 100 多家科技公司都已經(jīng)加入RISC-V陣營(yíng)。

世界范圍內(nèi)，RISC-V備受關(guān)注，與此同時(shí)，作為RISC-V在國(guó)內(nèi)最早的布道者，譚章熹非常敏銳地感知到，未來(lái)RISC-V在中國(guó)有著巨大市場(chǎng)——多年來(lái)，中國(guó)一直試圖在芯片領(lǐng)域找到突破口，卻苦于IP限制始終難以提供可靠的“中國(guó)芯”。而RISC-V的開(kāi)源特性，讓它不僅能夠帶來(lái)更高效、可編程性強(qiáng)的自主可控芯片，還免除了高額的IP授權(quán)費(fèi)用及問(wèn)題。

“過(guò)去在中國(guó)，買(mǎi)IP做封裝、做解決方案的廠商并不少，而能夠自主研發(fā)IP和完成底層處理器設(shè)計(jì)的非常少。基于RISC-V，這一點(diǎn)很可能迎來(lái)變化。”

2018年，譚章熹在深圳建立了睿思芯科總部。迄今為止，睿思芯科已與國(guó)內(nèi)數(shù)家知名智能家居廠商以及消費(fèi)電子廠商達(dá)成戰(zhàn)略合作。

預(yù)計(jì)今年年末，睿思芯科將發(fā)布一款多核異構(gòu)芯片Pygmy，針對(duì)AI、邊緣計(jì)算場(chǎng)景，如語(yǔ)音互動(dòng)、機(jī)器視覺(jué)等，Pygmy中含有睿思芯科自主設(shè)計(jì)的32位RISC-V內(nèi)核ORV32，以及4個(gè)64位RISC-V內(nèi)核ORV64。

2015年，RISC-V基金會(huì)建立，旨在推動(dòng)RISC-V相關(guān)軟硬件生態(tài)體系發(fā)展。僅在中國(guó)，RISC-V基金會(huì)就有超過(guò)百名成員，包括華為、阿里巴巴、長(zhǎng)虹、紫光展銳、中芯國(guó)際等等知名互聯(lián)網(wǎng)和半導(dǎo)體企業(yè)。目前譚章熹擔(dān)任RISC-V基金會(huì)董事。

“全世界對(duì)RISC-V的興趣并不是因?yàn)樗且环N偉大的新芯片技術(shù)，而是因?yàn)樗且环N通用的自由開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，可以將軟件移植到該標(biāo)準(zhǔn)中，并且該標(biāo)準(zhǔn)允許任何人自由開(kāi)發(fā)自己的硬件來(lái)運(yùn)行RISC-V軟件?！盧ISC-V的基金會(huì)上這樣陳述。

此前，圍繞RISC-V也曾有著種種爭(zhēng)議——安全問(wèn)題、碎片化等等。其競(jìng)爭(zhēng)者Arm甚至還上線過(guò)一個(gè)網(wǎng)站，專門(mén)用于指出RISC-V的問(wèn)題，后因受到多方指責(zé)而關(guān)停。另一方面，年輕的RISC-V指令集雖然精簡(jiǎn)，然而在生態(tài)上暫時(shí)還無(wú)法與X86、ARM匹敵，相關(guān)軟件、服務(wù)并不算豐富，僅在IoT這類對(duì)于生態(tài)要求較低的領(lǐng)域能夠迅速發(fā)展。

然而不可否認(rèn)的是，RISC-V及其他開(kāi)源指令集，把過(guò)去復(fù)雜、涉及行業(yè)眾多的芯片開(kāi)發(fā)變得更加“親民”，也讓我們?cè)贏I、IoT時(shí)代能夠期待更多能夠解決垂直領(lǐng)域需求的優(yōu)秀芯片。