與 AI 共舞，RISC-V 芯片加速落地生根

環(huán)顧當(dāng)下芯片產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵詞，RISC-V 一定位列其中。

自計算機誕生以來，指令集架構(gòu)一直是計算機體系結(jié)構(gòu)中的核心概念之一。目前市場上主流的指令集架構(gòu)兩大巨頭是 x86 和 ARM，前者基本壟斷了 PC、筆記本電腦和服務(wù)器領(lǐng)域，后者則在智能手機和移動終端市場占據(jù)主導(dǎo)地位。近年來，隨著全球?qū)π酒灾骺煽匦枨蟮脑鲩L以及物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等領(lǐng)域的需求不斷擴大，RISC-V 在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用，逐漸成為第三大指令集架構(gòu)。

2023 年，RISC-V 架構(gòu)在更多實際應(yīng)用場景中得以落地生根，從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣計算逐漸邁向 AI 計算、高性能計算等領(lǐng)域。

在 AI 時代，RISC-V 更是迎來爆發(fā)的新機遇。硅谷芯片傳奇 Jim Keller 表示，「RISC-V 的潛力是無限的。未來我們會迎來前所未見的 AI 軟件應(yīng)用，而 RISC-V 有望打造出下一代的 AI 引擎。」

那么，RISC-V 究竟有著怎樣的魔力？它又是如何在 AI 時代掀起一場科技風(fēng)暴的呢？

RISC-V 如何適用于 AI 應(yīng)用？

進入 2023 年，AI 讓芯片的算力得到無與倫比的表現(xiàn)。隨著 AI 算法對硬件算力的渴求到達前所未有的高度，傳統(tǒng)的芯片架構(gòu)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。因此，實施專用架構(gòu)、針對 AI 算法進行特定優(yōu)化的芯片設(shè)計，已成為滿足高算力需求的新趨勢。

指令集簡單便于擴展、成本低

ARM 與 X86，作為老牌指令集，它們內(nèi)部歷史遺留指令太多，后續(xù)工程師很難再對現(xiàn)有指令進行更新或添加。很多讀者或許下載過 ARM 官方的文檔介紹，幾千頁讀下來，熟練掌握尚且困難，推陳出新更是難辦。多指令模式更為 ARM 架構(gòu)設(shè)計增添了復(fù)雜性。因此，在指令集的擴展方面，更富活力的 RISC-V 天然具有極大優(yōu)勢，畢竟開源、精簡是 RISC-V 的一大特長。

與此同時，開源也帶來了另一個重要的好處，那就是降低了 RISC-V 的技術(shù)門檻和成本。任何人都可以獲取 RISC-V 的源代碼，根據(jù)自己的需求進行定制和優(yōu)化，而無需支付高額的授權(quán)費用。

契合邊緣 AI

RISC-V 并不是適合所有的 AI 模型。很明顯，在 AI 大模型方面，由于其需要的極高算力與超高的相關(guān)資源消耗，讓幾乎所有 RISC 指令集望而卻步。以 ChatGPT 這類大模型為例，據(jù) OpenAI 測算，ChatGPT 訓(xùn)練階段總算力消耗約為 3640 PF-days（約 1PFLOP/s 效率跑 3640 天），GPT-3 訓(xùn)練成本預(yù)計能達到 500 萬美元/次。邊緣 AI 無法承載大模型對算力的高需求，瞄準(zhǔn)單一領(lǐng)域、對算力要求相對低的小模型 AI 則可以施展拳腳，RISC-V 的機會就來了。尤其是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，RISC-V 已經(jīng)展現(xiàn)出了優(yōu)勢。

與 AI 算法相匹配

從算法角度來說，更高自由度的 RISC-V 指令集恰好與需要更快速迭代與高算力的 AI 算法相匹配。眾所周知，RISC-V 具有高度的可擴展性和模塊化特點，這也意味著設(shè)計者可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進行裁剪和定制，因此可以更好地適應(yīng)不同的 AI 算法，包括深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

大廠的押注與布局

在技術(shù)創(chuàng)新和市場需求的雙輪驅(qū)動下，RISC-V 發(fā)展?jié)摿ΡM顯。在此趨勢下，各大芯片巨頭紛紛投身其中，共同探索 RISC-V 的廣闊前景，以期在未來的競爭中占據(jù)有利地位。這其中包括蘋果、英特爾、高通、瑞薩、英飛凌、恩智浦、博世等。

究其原因，各大芯片廠商之所以紛紛押注 RISC-V 領(lǐng)域，背后究竟隱藏著怎樣的考量與布局？

對于任何一個芯片大廠而言，在 ISA 的選擇上都是相當(dāng)謹慎的。ISA 不僅決定了芯片開發(fā)的難易程度，也決定了與之綁定的軟件和開發(fā)生態(tài)，甚至可能會影響到市場面臨的競爭。

當(dāng)前，移動芯片市場的性能之爭愈演愈烈，不論高通、英偉達，還是三星、蘋果，實際上它們都是基于 Arm 架構(gòu)開發(fā)的，都屬于 Arm 聯(lián)盟的成員之一。目前為止，Arm 已經(jīng)占據(jù)了智能手機芯片領(lǐng)域 95% 以上的市場份額，包括平板電腦等。

過于依賴軟銀集團旗下 Arm 公司的技術(shù)可能會給自身帶來一些風(fēng)險，2022 年底 Arm 就曾因知識產(chǎn)權(quán)問題起訴過高通。

此外，Arm 技術(shù)不僅在智能手機中無處不在，當(dāng)下正迅速擴展到大型設(shè)備、數(shù)據(jù)中心和汽車用途。

汽車業(yè)務(wù)也是高通的核心業(yè)務(wù)之一，尤其是智能座艙系統(tǒng)。如今包括英特爾在內(nèi)的其它大型半導(dǎo)體芯片制造商也表示，他們未來將支持 RISC-V 芯片的開發(fā)。這可能會給高通帶來更多動力。在 2022 的 RISC-V 全球峰會上，高通高管宣布，早在 2019 年發(fā)布的驍龍 865 SoC 中，高通就已經(jīng)將 RISC-V 用到了微控制器的設(shè)計中，并已經(jīng)出貨了上億個 RISC-V 核心。

瑞薩作為 MCU 大廠之一，尤其是在汽車領(lǐng)域，經(jīng)過多年的積累與開發(fā)，旗下已經(jīng)有了多條 MCU 產(chǎn)品線。在 32 位 MCU 上，有基于自研 CISC 內(nèi)核的 RX 系列，也有基于 Arm Cortex-M 架構(gòu)的 RA 系列。即便如此，瑞薩還是決心開拓第三條產(chǎn)品線，而這條產(chǎn)品線正是基于 RISC-V 架構(gòu)。

英特爾對推進 RISC-V 也頗有興趣，2022 年英特爾大力扶植 RISC-V——以 Premier（高級會員）的身份，加入了 RISC-V International 基金會。與此同時，它還設(shè)立了 10 億美元（約合人民幣 64 億）的 IFS 基金，用于扶持初創(chuàng)和成熟企業(yè)進行代工生態(tài)的創(chuàng)新，其中很大一部分用于 RISC-V。

IFS 計劃提供一系列經(jīng)過驗證的 RISC-V IP 內(nèi)核，并針對不同的細分市場進行了性能優(yōu)化，確保 RISC-V 在 IFS 芯片上跨所有類型的內(nèi)核（從嵌入式到高性能）運行最佳。同時將提供三種類型的 RISC-V 產(chǎn)品：基于 IFS 技術(shù)制造的合作伙伴產(chǎn)品；RISC-V 內(nèi)核被許可為差異化 IP；利用先進的封裝和高速芯片間接口，提供基于 RISC-V 的小芯片構(gòu)建塊。

其實，英特爾在很早之前就在 RISC-V 路線上有所動作，2021 年英特爾就推出了基于 RISC-V 架構(gòu)的 Nios V 處理器。在此之前，英特爾還欲花費 20 億美元收購 RISC-V 芯片設(shè)計公司 SiFive，但最終并沒有成功，不過這也讓大眾看到了英特爾面對 RISC-V 的心態(tài)。

RISC-V CEO Calista Redmond 表示：「RISC-V 的開放合作已經(jīng)引發(fā)了半導(dǎo)體行業(yè)的深刻轉(zhuǎn)變，這種合作伙伴關(guān)系將加速開放計算的創(chuàng)新。」

英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強表示，英特爾中國研究院專門把 RISC-V 這個開放開源的指令集列入研究領(lǐng)域，是因為中國在這一領(lǐng)域的影響力比較明顯，在 RISC-V 國際基金會高級會員里，接近一半是中國企業(yè)或者學(xué)校。另外，中國還有政府方面的引導(dǎo)，想讓 RISC-V 成為未來自主創(chuàng)新的重點。因此，中國未來在 RISC-V 發(fā)展上一定會走的很好。

接下來看一看，中國在 RISC-V 賽道的布局。

中國是 RISC-V 的重要基地

據(jù) RISC-V International 統(tǒng)計，2022 年全球采用 RISC-V 架構(gòu)的處理器出貨量超過 100 億顆，僅用 12 年就走完了傳統(tǒng)架構(gòu) 30 年的發(fā)展歷程，預(yù)計未來幾年 RISC-V 采用率將以 40% 年復(fù)合增長率增長，2030 年 RISC-V 架構(gòu)芯片更有望突破 160 億顆。而這 100 億顆出貨量中，有近一半來自中國，中國的巨大市場將成為支撐 RISC-V 的重要基地。此外，在 RISC-V 基金會會員當(dāng)中，中國企業(yè)占比也近一半。

中國工程院院士倪光南在 3 月 2 日召開的首屆玄鐵 RISC-V 生態(tài)大會上表示：「可以毫不夸張地說，今天 RISC-V 是中國 CPU 領(lǐng)域最受歡迎的架構(gòu)，中國芯片產(chǎn)業(yè)和整個芯片生態(tài)將會越來越多地聚焦于 RISC-V 架構(gòu)，中國的巨大市場將成為支撐 RISC-V 的重要基地?！?/p>

據(jù)悉，包括 IP 內(nèi)核與芯片設(shè)計等主要內(nèi)容在內(nèi)，中國目前有 300 家以上公司在關(guān)注 RISC-V 或以 RISC-V 指令集進行開發(fā)。

如今，國內(nèi)已成立了 RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，集結(jié)了包括華為、阿里云、紫光展銳、華米科技等在內(nèi)的眾多知名企業(yè)，共同推動 RISC-V 在國內(nèi)的生態(tài)建設(shè)。聯(lián)盟通過搭建合作平臺、舉辦研討會、推動標(biāo)準(zhǔn)制定等工作，加快了 RISC-V 技術(shù)在中國的落地與應(yīng)用。

中國科研機構(gòu)和企業(yè)積極投身于 RISC-V 芯片的研發(fā)，取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破。如中科院、清華大學(xué)等高等學(xué)府和科研機構(gòu)，以及平頭哥半導(dǎo)體、芯來科技等初創(chuàng)公司，都在 RISC-V 處理器設(shè)計、軟件生態(tài)構(gòu)建以及應(yīng)用解決方案等方面展現(xiàn)了不俗實力。

同時中國企業(yè)在 RISC-V 架構(gòu)上開發(fā)出了豐富的處理器產(chǎn)品，涵蓋嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、數(shù)據(jù)中心等多個領(lǐng)域。例如，阿里平頭哥推出的玄鐵系列處理器，以及芯來科技針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的多款 MCU 芯片等。

除了上述公司外，芯原股份、中科藍訊、兆易創(chuàng)新、賽昉科技、全志科技、晶心科技、先楫半導(dǎo)體、中科藍訊、泰凌微電子、樂鑫科技、中微半導(dǎo)體、航順芯片、國芯科技、芯昇科技、博流智能、納思達、晶視智能、方寸微電子等諸多廠商均展現(xiàn)了強大的研發(fā)實力和優(yōu)秀的產(chǎn)品。

泰凌微電子的 RISC-V 芯片產(chǎn)品主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，如智能穿戴、智能家居等，其 RISC-V 處理器在連接性、功耗和性能等方面表現(xiàn)出色，為用戶提供了穩(wěn)定的無線連接體驗。芯原股份在 RISC-V 領(lǐng)域推出了多款高性能的處理器 IP，這些 IP 可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域;中科藍訊的 RISC-V 芯片產(chǎn)品主要面向藍牙音頻市場，如藍牙耳機、音箱等;兆易創(chuàng)新在存儲和 MCU 領(lǐng)域有著深厚的積累，其 RISC-V 芯片產(chǎn)品結(jié)合了存儲和計算的優(yōu)勢，可應(yīng)用于工業(yè)自動化、智能家居等領(lǐng)域；賽昉科技提供了一系列基于 RISC-V 指令集的處理器和 SoC 產(chǎn)品，這些產(chǎn)品適用于從邊緣計算到云端的各種應(yīng)用場景......

RISC-V 的商業(yè)化落地

從目前出貨情況來看，RISC-V 芯片早些年更多是集中在低算力的 MCU 市場以及生態(tài)依賴性低的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。比如：物奇除了推出 WiFi 數(shù)傳芯片，還早就推出并量產(chǎn)了基于 RISC-V 的電力線載波芯片，可應(yīng)用于智能表、能源管理系統(tǒng)、汽車-PEV 和充電站、遠程抄表設(shè)備、太陽能、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域，2019 年時披露該款芯片出貨量就已達到百萬顆以上。

樂鑫科技，在 WiFi MCU 領(lǐng)域擁有領(lǐng)先地位，自 2020 年后的新產(chǎn)品都全部使用自研的基于 RISC-V 指令集的 IP。

泰凌微，以低功耗藍牙 SoC 為主要產(chǎn)品，其最新一代產(chǎn)品 TLSR9 系列就采用了 RISC-V 架構(gòu)并經(jīng)過認證。

除了在 IoT 市場，RISC-V 在服務(wù)器、汽車等領(lǐng)域也有發(fā)展空間。

比如：算能的 RISC-V CPU SG2042 服務(wù)器集群，可以為下一代云計算、人工智能、數(shù)據(jù)分析提供支撐。超?？萍家?guī)劃了 A 系列（高性能）、AE（高可靠性）、E 系列（高能效）三個系列。A 系列著重考慮性能，適用于桌面、服務(wù)器等應(yīng)用場景，可落地于云計算、HPC、AI 以及智能座艙等領(lǐng)域。

在玄鐵 RISC-V 生態(tài)大會上，中國科學(xué)院軟件研究所展示了基于 RISC-V 的開源筆記本電腦「如意 BOOK」。這臺電腦綜合續(xù)航達 12 小時，集成了支持語音對話與文字交互的第三方大模型 AI 助手。如意 BOOK 搭載玄鐵 C910 處理器、openEuler 操作系統(tǒng)，可流暢運行釘釘、Libre Office 等大型辦公軟件，首次打通了從底層芯片到操作系統(tǒng)到商用軟件的 RISC-V 全鏈路。

在汽車領(lǐng)域，已有頭部客戶使用玄鐵，達摩院會對可靠性、包括高實時的處理器做更多布局。

在通信領(lǐng)域，比科奇將 RISC-V 應(yīng)用在 5G 基帶芯片。其第一顆高性能、低功耗 5G 小基站物理層 SoC 芯片 PC802 已經(jīng)規(guī)模化量產(chǎn)。

在機器人領(lǐng)域，亞博智能推動 RISC-V 首次進入 ROS 機器人領(lǐng)域，基于玄鐵處理器的 Mlik-V Meles 開發(fā)板研發(fā) SLAM 建圖與避障導(dǎo)航小車。

在 ICT 領(lǐng)域，降低算力功耗和成本的需求為基于 RISC-V 定制的云網(wǎng)設(shè)備帶來了增量空間。中國電信研究院采用玄鐵 RISC-V 研發(fā)云桌面、AI 邊緣盒子等新硬件，打造「端-邊-云」全鏈應(yīng)用。

此外，在電力行業(yè)，國網(wǎng)智芯公司基于玄鐵處理器研發(fā)出面向工業(yè)應(yīng)用的 AI 芯片，用于變電智能巡視、源網(wǎng)荷儲協(xié)同調(diào)度等場景。

加速與 AI 融合

根據(jù) SHD 的數(shù)據(jù)顯示，RISC-V 基金會在 2015 年時僅有 17 家會員，到 2023 年底就已經(jīng)達到了 4037 家。同時，SHD 集團預(yù)測，自 2022 年至 2030 年，RISC-V 在主流市場年復(fù)合增長率將高達 40%。基于 RISC-V 指令集架構(gòu)的芯片的年出貨量將由 6 億顆增長至 160 億顆。在 MCU、筆記本電腦、5G、工業(yè)、消費類 AI、汽車 AI 等主流應(yīng)用中的占比將達到約 30%。

在剛剛過去的一年時間里，RISC-V 生態(tài)獲得了進一步的發(fā)展。因此，2023 年也被認為是 RISC-V 的突破年。

2023 年 5 月，Meta 基于 RISC-V 架構(gòu)推出首代 AI 推理加速器;2023 年 6 月，谷歌、英特爾、英偉達、高通、阿里等 13 家企業(yè)發(fā)起的全球 RISC-V 軟件生態(tài)計劃「RISE」正式啟動，旨在加速 RISC-V 的軟件生態(tài)建設(shè)及應(yīng)用商業(yè)化進程，成員將聯(lián)合推動 RISC-V 處理器在移動通信、數(shù)據(jù)中心、邊緣計算及自動駕駛等領(lǐng)域的市場化落地，阿里是中國大陸唯一董事會成員;2023 年 10 月，高通宣布將與谷歌合作推出基于 RISC-V 架構(gòu)、支持 Wear OS 系統(tǒng)的智能穿戴芯片，并將在全球市場進行商用推廣。

與此同時，可以明顯看到這些芯片行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)不僅在 RISC-V 賽道加碼布局，還將更多的注意力放在了 RISC-V 與 AI 的深度融合上。

在消費電子領(lǐng)域，達摩院宣布玄鐵處理器家族全新迭代升級-玄鐵 C907 首次實現(xiàn)矩陣運算（Matrix）擴展，為未來 AI 加速計算提供更多選擇，并將集成到其他玄鐵處理器中；下一代旗艦處理器 C930 也將將持續(xù)向更高性能演進，顯著提升 AI 計算處理能力，預(yù)計將于年內(nèi)推出。

奕斯偉計算等廠商已推出基于 RISC-V 的邊緣計算 AI 芯片，具備強大視頻編解碼能力和豐富接口，滿足多種應(yīng)用場景需求。躍昉科技和睿思芯科等也是 RISC-V 在 AI 領(lǐng)域的佼佼者，提供高性能處理器 IP 核和定制芯片解決方案。

近日，三星也有所動作。三星旗下 SAIT（前身為高級技術(shù)學(xué)院）在硅谷建立先進處理器實驗室（APL），專門從事 AI 芯片設(shè)計。這支新加強的研發(fā)團隊將充分利用 RISC-V 架構(gòu)的開放性和靈活性，設(shè)計和優(yōu)化新一代 AI 芯片。三星 APL 研究所的最終目標(biāo)是設(shè)計自己的基于 RISC-V 的 AI 芯片。歷史上，三星曾基于 ARM 產(chǎn)品設(shè)計過 Exynos 等尖端半導(dǎo)體芯片。

據(jù)悉，三星此次加強研發(fā)團隊，旨在提升其在 AI 芯片領(lǐng)域的研發(fā)能力，進一步推動 AI 技術(shù)的發(fā)展，同時也是為了應(yīng)對英偉達等競爭對手的挑戰(zhàn)。英偉達在 AI 芯片市場占據(jù)領(lǐng)先地位，而三星希望通過推出基于 RISC-V 架構(gòu)的 AI 芯片，打破現(xiàn)有的市場格局。

機遇眾多，挑戰(zhàn)亦然

無論是各地興起的 RISC-V 熱潮，還是從全球芯片巨頭的態(tài)度和布局中都能看到，RISC-V 必然是一個重要選擇。

RISC-V 之父、圖靈獎得主 David Patterson 也表示：「RISC-V 是一個全球現(xiàn)象，有超過 60 個國家的開發(fā)者們在研究它，幾年后 RISC-V 將無處不在！」他甚至斷言，到本世紀(jì)末，未來產(chǎn)品開發(fā)的主導(dǎo) ISA 將是開放的 RISC-V 架構(gòu)。

這不僅是一個趨勢，更像是一場技術(shù)革命的爆發(fā)。

SHD Group 預(yù)計，2030 年基于 RISC-V 的 SoC 營收更是預(yù)計高達 920 億美元，復(fù)合年增長率高達 47%。

然而，RISC-V 要實現(xiàn)廣泛的市場應(yīng)用，還有許多挑戰(zhàn)需要面對，比如其生態(tài)系統(tǒng)仍然相對落后于其他主流指令集架構(gòu)，如 ARM 和 x86。要實現(xiàn)廣泛的市場應(yīng)用，RISC-V 需要在軟件兼容性、開發(fā)工具、操作系統(tǒng)等方面加強生態(tài)建設(shè)。其次，在一些高性能計算場景下，其技術(shù)成熟度仍然不足。要在更激烈的市場競爭中取得優(yōu)勢，RISC-V 需要在性能、功耗和成本等方面進一步優(yōu)化。在商業(yè)模式與合作方面，由于 RISC-V 的開放性，企業(yè)在使用和發(fā)布 RISC-V 產(chǎn)品時也面臨著一定的商業(yè)挑戰(zhàn)。

這里以 Semidynamics 創(chuàng)始人兼 CEO Roger Espasa 的話結(jié)尾：RISC-V 是從底部開始做起的，如今已經(jīng)到了中高端，包括服務(wù)器，當(dāng)然需要一定時間發(fā)展壯大。最終會進入到 HPC、GPU，以至于全覆蓋。