RISC-V架構何以成功？
RISC-V 處理器架構的誕生毫無疑問讓很多人都為之興奮不已。然而，盡管許多人都說 RISC-V 預示著我們將迎來更廣泛的開源硬件運動，但這種架構究竟為什么取得成功的原因并不好判斷，而且它是不是會推動更多開源芯片核心的出現(xiàn)也完全是個未知數(shù)。
“RISC-V 成為了許多芯片開發(fā)商的首選架構，在硬件開發(fā)界掀起了一股創(chuàng)新浪潮，“RISC-V 國際的技術項目總監(jiān) Stephano Cetola 說：“設計師們正在基于 RISC-V 設計各種架構，并在許多行業(yè)內開發(fā)實際的芯片實現(xiàn)”。
這并不是業(yè)界第一次將處理器的實現(xiàn)，或稱指令集架構（ISA）在公共領域開放出來。業(yè)界有很多這樣的例子，包括 OpenPOWER、OpenSPARC、OpenRISC，等等。雖然每一種架構都獲得了一定程度的推動，但與 RISC-V 在很短時間內取得的成就相比，它們都相形見絀。
與 RISC-V 社區(qū)成員交流時，你會經常聽到兩個詞—— 免費和自由。一些人希望處理器內核是免費的，而另一些人則希望能自由地使用內核，做他們想做的事。對這些人來說，是不是免費并不怎么重要，因為他們會花很多錢來獲得他們想要的東西。
一個不斷變化的市場
RISC-V 的興起是與行業(yè)內其他一些事件同時發(fā)生的。
首先是摩爾定律放緩了腳步，這意味著每個新的芯片制造工藝節(jié)點不再意味著芯片算力能同步幾何增長。其次是機器學習的飛速發(fā)展帶來了對算力的巨大需求增長。
那么，這是不是說 RISC-V 僅僅是出現(xiàn)在了正確的時間、正確的位置上呢？
人們對處理器的看法已經改變了。Imperas 軟件公司的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Simon Davidmann 說：“RISC-V 是被硬件設計社區(qū)對自由的需求所推動的?！半娮赢a品是由其功能定義的，其中很多功能又是由軟件定義的，而軟件是在處理器上運行的。今天，一切軟件都需要某種形式的機器學習能力。比如說你的手機為了拍攝更好的照片就需要機器學習支持，進而需要大量算力，諸如此類。而人們意識到的是，他們需要大量的處理器。他們需要屬于自己的處理器架構。你需要以你需要的方式來配置它們?，F(xiàn)成的技術是不夠用的。因此，在電子產品市場上出現(xiàn)了一種變化，也就是說'我們需要自由設計芯片、自由設計處理器和這些芯片上的處理器架構”。
很多人同意他的觀點。Codasip 公司的高級營銷總監(jiān) Roddy Urquhart 說：“由于芯片擴展通用算力的步伐逐漸停滯，提供更高性能的唯一方法就是專業(yè)化?！啊伴_放的 RISC-V ISA 是模塊化的，支持自定義指令，因此成為了創(chuàng)建多種多樣的專用處理器和加速器的理想 ISA?！?/span>
我們要看到，所有這些需求的背后是新一代系統(tǒng)公司正在進入市場，每一家公司都有獨特的商業(yè)動力。但這些系統(tǒng)公司的一個共同點是，他們并不試圖銷售他們所開發(fā)的芯片。相反，他們正在銷售以某種方式由這些產品推動的服務。他們沒法從現(xiàn)有市場上購買合適的產品，所以他們準備自己開發(fā)芯片，同時也通過貢獻和合作來推動一些必要的創(chuàng)新。在這種情況下，RISC-V 發(fā)揮了重要作用。
是什么讓 RISC-V 與眾不同？
RISC-V 正在多個領域創(chuàng)造突破，而每個領域成功的原因都有所不同。為了理解這一點，有必要分開看待 RISC-V 取得成功的各個因素。首先是架構本身。其次是大量正在研發(fā)中的開源架構實現(xiàn)。第三個方面是圍繞處理器核心的支持核心。最后，還有必要的工具來幫助企業(yè)實現(xiàn)和驗證 RISC-V 處理器。
它最初是為了滿足一個特殊的需求而創(chuàng)建的。Imperas 公司的 Davidmann 說：“現(xiàn)在它背后有大量的資源支持?！耙婚_始它是來自大學、學術界，大學里的一些聰明人做出了一個好東西。從伯克利出來后，它從硅谷和很多前伯克利畢業(yè)生那里獲得了一些動力。它的勢頭比 OpenRISC 猛的多。很多大學需要它，是他們推動了它的發(fā)展。”
RISC-V 現(xiàn)在是一個開放的標準 ISA，由加州大學伯克利分校推動，還有一個行業(yè)非營利組織在照顧它——也就是 RISC-V 國際。許多大學創(chuàng)建了開放的處理器內核，如伯克利大學的 Rocket 內核、蘇黎世聯(lián)邦理工學院的 pulp 平臺，等等。今天，有許多行業(yè)合作團體將工業(yè)界和學術界聚集在一起構建開源內核，并將其提供給整個社區(qū)。這方面的例子包括了 CHIPS 聯(lián)盟和 OpenHW 小組。
許多國家已經提出了可以滿足當?shù)匦枨蟮捻椖?。印度?Shakti 項目，由 IITMadras 推動。在以色列，GenPro 聯(lián)盟將工業(yè)界和學術界聯(lián)合了起來。日本和中國也有類似的項目，他們正在開發(fā)開源的 RISC-V 內核，以使它們能夠為他們的社區(qū)和具體利益服務。
RISC-V 是第一個開放和可定制的 ISA。“目前，與 RISC-V 相關的主要工業(yè)利益不是關于開源實現(xiàn)，而是關于開源指令集，“Fraunhofer IIS 自適應系統(tǒng)工程部的先進系統(tǒng)集成小組組長和高效電子部門主管 Andy Heinig 說：“有了它，環(huán)境就標準化了，但實際實現(xiàn)是為具體的公司需求設計的，也是公司擁有的。我們在芯片之間的接口領域看到了類似的活動，人們正在準備和討論許多互聯(lián)標準。在 RISC-V 這邊，這些互聯(lián)標準也可以支持不同供應商的芯片之間獲得互操作性。而 RISC-V 則在軟件方面提供了互操作性”。
能夠修改的能力是很重要的。Valtrix 系統(tǒng)公司的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Shubhodeep Roy Choudhury 說：“像 RISC-V 這樣的開源、支持自定義擴展的 ISA 給處理器設計者帶來了難以置信的自由。“同時，它也帶來了一個非常有趣的驗證挑戰(zhàn)。要確保所有的設計都符合要求，功能正確，就需要改變測試生成器的設計方式。它們需要高度的可配置性，才能對定制功能和傳統(tǒng) / 基準功能進行驗證”。
從開放的 ISA 到開源的處理器是一個很大的跳躍?！伴_源 IP 的概念非常誘人，因為它讓人聯(lián)想到了免費 IP 的概念，“Flex Logix 公司 IP 銷售和營銷副總裁 Andy Jaros 說：“然而，開源并不等于免費。大多數(shù)公司，除非他們想在 IP 開發(fā)上投入巨大的資源，否則就會從無數(shù)的 IP 供應商（如 Open5、Andes 和其他許多供應商）那里獲得預實現(xiàn)的 RISC-V 內核的許可。這節(jié)省了開發(fā)、驗證、軟件開發(fā)等工作的投入，還能有很多保障?！?/span>
有多家公司在開發(fā)內核競品，這也促進了實現(xiàn)領域的創(chuàng)新進程?！癛ISC-V 的真正價值在于它成為了 Arm 的競爭對手，而不是因為它是開源的，“Jaros 補充說：“我們看到了很多 RISC-V 內核供應商，他們?yōu)槭袌鎏峁┝诉x擇、促進了競爭。而在 Arm 這邊，你只能從 Arm 獲得 Arm 處理器內核?！?/span>
另一個驅動因素是快速增加的內核數(shù)量，這讓基于實例的專利費用定價顯得相當昂貴?！叭藗兿Ｍ幚砥鞅椴妓麄兊脑O計，“Davidmann 說：“他們想要很多小型處理器，而現(xiàn)有的 Arm 許可條款要做到這一點相當困難。當然，它們也很昂貴，但更重要的是，人們不能隨心所欲地修改 Arm 內核。我不相信 RISC-V 的成功是因為它便宜或成本低。如果你只是想做與 Arm 內核相同的事情，你絕對應該買一個 Arm 內核，因為它經過了充分驗證，設計得非常好——這正是你想要的。使用 RISC-V 的唯一原因是你想自由地改變它，把你自己的東西添加到它里面?！?/span>
即使有了這一切有利因素，如果沒有圍繞它的生態(tài)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，RISC-V 可能就不會取得成功?！伴_源社區(qū)開發(fā)的眾多重要工具是幫助人們基于 RISC-V 開發(fā)出多種多樣的處理器的關鍵因素，如芯片技術工藝設計套件、設計驗證套件、實現(xiàn)工具等等，“RISC-V 國際的 Cetola 說：“這也推動了 VLSI 設計的民主化、推動了更高級別的設計描述語言的發(fā)展，復雜的開源自動化工具也加速了設計的進步，所有這些讓 RISC-V 的能力得到了更大提升。有了設計工具和工具鏈，RISC-V 很快就會變得真正無處不在?！?/span>
OpenHW 小組是推動行業(yè)實現(xiàn)這一目標的合作項目之一。它正在開發(fā)多種處理器內核和支持這些內核的周邊 IP。此外，它正在建立一套完整的工具，用于設計和驗證這些內核?！八麄冏鍪碌姆绞绞遣煌?，”Davidmann 說：“一個是他們會給你源碼，所以你可以自己修改。更重要的是，他們也給你一個驗證環(huán)境，這樣如果你做了變更也可以驗證它能否正常工作。如果有人只是扔給一個核心，而你改變了其中一些代碼，你就有可能破壞一些東西。你需要一個復雜的驗證環(huán)境來知道你有沒有破壞它。
而這正是 OpenHW 在開源硬件領域的與眾不同之處，因為他們提供了完整的驗證環(huán)境。如果你增加了一條新指令，你可以知道自己有沒有破壞其他指令。我不認為人們會只拿來一個 OpenHW 內核就開始用。這沒什么意義。如果你想省錢，你可以這么做。但它的意義在于你可以拿來擴展內核，而且它是一個非常好的起點基礎。這就是關鍵所在。你不是從頭開始?！?/span>
擴大范圍
這種開源的勢頭能否擴大到處理器核心之外的領域呢？
處理器只是一個完整的 SoC 的一小部分。SoC 還需要內存控制器和內存接口、USB、PCI 以及更多組件。這些組件對產品來說沒什么特殊的，許多人希望它們也是開源的。
問題是，這些組件非常復雜，它們包含了模擬部分，而這些部分往往是為具體的代工廠和工藝技術定制設計和實現(xiàn)的。雖然控制器也能以開源的方式構建，但我們可以說，如果沒有數(shù)字和模擬部分的緊密集成，可能造出來的就是次品。
LowRISC 是一個在英國成立的組織。它最初想建立一個類似樹莓派的開源系統(tǒng)。今天，它在一個完全協(xié)作的框架內開發(fā)硬件和軟件，包括 RISC-V 內核，以及支持它的軟件編譯基礎設施。
最近，谷歌為 silicon root of trust 創(chuàng)建了一個規(guī)范和 IP。它將這項工作開源，并委托 lowRISC 管理。這里的部分重點是，開放和透明最終會提高安全性和可信度，而不是帶來修改規(guī)范的能力。
結論
RISC-V 已經實現(xiàn)并促進了創(chuàng)新。雖然免費可能對行業(yè)的某些人來說是很重要的，但真正的關鍵是自由。這種自由帶來了志同道合的人才、公司和組織，讓他們能夠共同開拓新的領域。它對創(chuàng)新的貢獻不僅是廣度，更多在于深度。雖然 RISC-V 可能會讓更多硬件模塊變成開源的，但最重要的收獲也許是人們能夠快速采用處理器的開放規(guī)范并實現(xiàn)它。
曾幾何時，當工程師們停止開發(fā)他們自己的定制處理器時，針對處理器開發(fā)和驗證的工具就消失了，因為在 20 世紀 80 年代，那些處理器幾乎沒有提供任何差異性?，F(xiàn)在，處理器領域已經再次變得高度差異化，為此業(yè)界正在合作開發(fā)必要的工具。一個尚無答案的問題是，他們創(chuàng)建開源工具的速度能否比 EDA 行業(yè)提供的成品更新速度更快。
原文鏈接：
https://semiengineering.com/why-risc-v-is-succeeding/
作者：BRIAN BAILEY
譯者：王強
策劃：劉燕
下載鏈接：
ARM的體系結構與編程.pdf
ARM架構參考手冊.pdf
ARM架構參考手冊ARM V9.pdf
CPU之戰(zhàn)：ARM vs Intel.pdf
1、行業(yè)深度報告：GPU研究框架
2、信創(chuàng)產業(yè)研究框架
3、ARM行業(yè)研究框架
4、CPU研究框架
5、國產CPU研究框架
6、行業(yè)深度報告：GPU研究框架
新時代“芯”生態(tài)：龍芯CPU技術與生態(tài)體系
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