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芯片也开源?网红RISC-V,到底是什么东东?

谦太祥和 发布于: 2019年7月12日 1时11分40秒 阅读0次

  作者:小枣君,来源:鲜枣课堂(ID:xzclasscom)

  前几天小枣君给大家介绍了开源基站O-RAN。

  今天小枣君又要给大家介绍一个开源的东西,那就是现在半导体行业的网红、被很多人称之为“开源芯片”的 RISC-V。

  说到芯片,自从中兴被美国禁运事件起,国人对芯片的关注度被提升到前所未有的高度。似乎一夜之间,所有人都知道了芯片的重要性,体会到“缺芯”会导致多么严重的后果。

  今年,华为又被美国政府盯上,列入了实体名单,再次引发全国范围对芯片自主研发能力的关注和讨论。

  内外因的综合作用下,国家重点加强了对芯片领域的投资,越来越多的企业开始重视对芯片研发的投入。

  而 RISC-V,在这个关键节点,将很可能发挥非常关键的作用。

  究竟什么是 RISC-V?

  RISC-V,一般被念做:risk five。V,就是罗马数字5。 

  很多人提到 RISC-V,都会说它是开源芯片。其实这种说法是不对的。准确来说,RISC-V 是一个基于“精简指令集(RISC)”原则的开源指令集架构。

  别怕!我可以通俗地解释一下!——

  指令集,对于 CPU 来说,就是介于软件和底层硬件之间的一套程序指令的合集。指令集存储于 CPU 内部,引导 CPU 进行运算,并帮助 CPU 更高效地运行。


PC 电脑里面的 CPU 芯片(中央处理器)

  我们现在常用的台式机电脑或服务器,使用的主要是英特尔和 AMD 公司的 CPU。这类 CPU 使用的指令集,属于“CISC 复杂指令集”。CISC,就是 Complex Instruction Set Computer(复杂指令集计算机)。


一款 CPU 支持的指令集,可以有很多种

  早期计算机的 CPU,都是基于 CISC 架构的。

  当时编译器的技术并不纯熟,程序都会直接以机器码或是组合语言写成,为了减少程序的设计时间,逐渐开发出单一指令,复杂操作的程序代码。设计师只需写下简单的指令,再交给 CPU 去执行。

  但是后来有人发现,整个指令集中,只有约 20% 的指令常常会被使用到,大约占了整个程序的 80%;剩余 80% 的指令,只占了整个程序的 20%。(典型的二八原则)

  于是,1979 年美国加州大学伯克利分校的 David Patterson 教授提出了RISC的想法,主张硬件应该专心加速常用的指令,较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。

  RISC,就是 Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机。

  简单来说,CISC 任务处理能力强, 适合桌面电脑和服务器。但高性能也带来高功耗的问题。

  而 RISC 通过精简 CISC 指令种类,格式,简化寻址方式,达到省电高效的效果,适合手机、平板、数码相机等便携式电子产品或物联网产品。

  上个世纪 80 年代,ARM 公司就是基于 RISC 架构开始做自己的芯片,最终一步一步崛起,战胜了英特尔,成为现在的移动芯片之王。如今,包括华为麒麟、高通骁龙在内的大部分手机终端和物联网设备芯片,都是基于 ARM 的架构设计。

  注意,我说的是 ARM 的架构,而不是 ARM 的芯片产品。

  ARM 这家公司的商业模式很特别。它做的是芯片的架构设计,相当于画工程图纸,然后把图纸卖给各大芯片制造公司,例如华为。这些公司基于这个原始图纸,进行修改,最终设计自己想要的芯片,交付芯片工厂(例如台积电)去生产出来。

  当然了,ARM 的图纸并不是免费的。不仅不免费,而且价格非常昂贵。

  根据网上的资料显示,ARM 的授权费从几十万美元到几百上千万美元不等。法国有一家芯片创业公司接受媒体采访时曾说,他们如果使用 ARM 架构,要花掉 1500 万美元的授权费。(这个回答后来遭到 ARM 的否认,不管怎么说,反正不便宜。)

  现如今,随着 5G、物联网、人工智能等技术的蓬勃发展,越来越多的企业开始生产和制造服务于各个垂直行业的终端和模组。

  这也就意味着,越来越多的企业要被迫接受 ARM 或其它芯片巨头的“盘剥”。

  大企业还好说,交就交呗,但对于很多中小型企业甚至初创企业来说,这几乎就是彻底关闭了前进的大门。

  这时候,就有人勇敢地站出来了。

  2010 年,加州大学伯克利分校的一个研究团队正在准备启动一个新项目。在为新项目选择指令集的时候,他们发现,x86 指令集被 Intel 控制得死死的,ARM 指令集的授权费又非常贵,MIPS、SPARC、PowerPC 也存在知识产权问题。

  在这种情况下,研究团队毅然决定,从零开始,设计一套全新的指令集。

  在外人看来,这是一件令人望而却步的工作。但事实上,伯克利的研究团队只召集了一个 4 人小组,用了 3 个月的时间,就完成了 RISC-V 的指令集开发。

  虽然看似非常轻松,但其实是有前提的。RISC-V 之所以是个V(Five),就是因为它之前已经有过I、II、III、IV。

  负责带队研制这些 RISC 指令集的,不是别人,正是伯克利分校的David Patterson 教授。往前翻翻这篇文章你就会发现,他就是 RISC 指令集的真正创始人。当年那篇正式提出精简指令集设计思想的开创性论文——《精简指令集计算机概述》,就是他和另一位名叫 Ditzel 的学者共同发表的。


David Patterson 教授,后来获得了图灵奖

  正是因为有相关的技术沉淀,伯克利分校的团队才能在短期内做出了 RISC-V。


第一代 RISC-I 处理器,早在 1981 年就已经做出来了

  RISC-V 指令集非常精简和灵活。它的第一个版本只包含了不到 50 条指令,可以用于实现一个具备定点运算和特权模式等基本功能的处理器。如果用户需要的话,也可以根据自己的需求自定义新指令。

  高校毕竟是高校,功利心没有那么重。再加上研究团队本身确实也没钱没人去维护它。所以,在做出 RISC-V 指令集之后,研究团队决定,将它彻底开放,使用 BSD License 开源协议。

  BSD(Berkeley Software Distribution)开源协议是一个自由度非常大的协议,几乎可以说是“为所欲为”。它允许使用者修改和重新发布开源代码,也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。

  这就意味着,任何人都可以基于 RISC-V 指令集进行芯片设计和开发,然后拿去卖钱,而不需要支付授权费用。

  这就很嗨了,大批公司开始加入对 RISC-V 的研究和二次开发之中。

  短短几年的时间里,包括谷歌、华为、IBM、镁光、英伟达、高通、三星、西部数据等商业公司,以及加州大学伯克利分校、麻省理工学院、普林斯顿大学、ETH Zurich、印度理工学院、洛伦兹国家实验室、新加坡南洋理工大学以及中科院计算所等学术机构,都纷纷加入 RISC-V 基金会。

  目前,RISC-V 基金会共有包括 18 家白金会员在内的 235 家会员单位(数据截止 2019 年 7 月 10 日)。这些会员单位中包含了半导体设计制造公司、系统集成商、设备制造商、军工企业、科研机构、高校等各式各样的组织,足以说明 RISC-V 的影响力在不断扩大。

  正如前文所说,RISC-V 对于我们国家的芯片事业有着非常重要的意义。

  长期以来,我们国家的芯片研发都受制于人。如果国内企业或科研机构能够利用开源的 RISC-V 做出基本自主知识产权的芯片,或者培养出相应的生态环境,将大大有利于中国半导体行业进行弯道超车。

  因此,包括中科院计算所、华为公司、阿里巴巴集团等在内的 20 多个国内企事业单位,选择加入了 RISC-V 基金会。阿里还是其中的白金会员。

  2018 年 7 月,上海经信委出台了国内首个支持 RISC-V 的政策。10 月,中国 RISC-V 产业联盟成立。产品方面,中天微和华米科技先后发布了基于 RISC-V 指令集的处理器。


基于 RISC-V 开发的黄山 1 号(华米),全球可穿戴领域第一颗人工智能芯片

  我们的邻居印度,对 RISC-V 的热情更是高涨。在过去数年中,印度政府资助的处理器相关项目都开始向 RISC-V 靠拢。RISC-V 已经成为了印度的国家指令集。

  RISC-V 的快速发展,给 ARM 这样的企业带来了很大的压力。

  ARM 公司去年 6 月份就专门建了一个域名为 riscv-basics.com 的网站,里面的内容主题为“设计系统芯片之前需要考虑的五件事”,从成本、生态系统、碎片化风险、安全性和设计保证上对 RISC-V 进行攻击。

  RISC-V 这边针锋相对,建了一个域名为 arm-basics.com 的网站,以“设计系统芯片之前需要考虑的六件事”为题(在 ARM 列出的五项上,新增了社区支持),对 ARM 进行反击。

  几天后,ARM 的 riscv-basics.com 的网站悄然下线。

  尽管 RISC-V 在这场短暂的“撕逼”中获胜,但 ARM 提出的那五个方面的质疑,也不是完全没有道理。尤其是碎片化问题,作为开源技术,RISC-V 的确很难规避。

  (碎片化:由于 RISC-V 允许用户自己任意添加新的指令,但照此趋势发展下去,可能以后很多芯片厂商开发出的 RISC-V 架构处理器尽管都归属于同一 RISC-V 体系,但在实际应用搭配时却不能够适配同样版本的软件。)

  总而言之,RISC-V 可以被看成是一个充满生命力的年轻搅局者。寄希望于它能够在短时间内和传统巨头抗衡,是不现实的。但是它举起了打破垄断的大旗,为沉闷的行业生态注入了新鲜的活力,值得我们为之叫好,也值得我们学习。

  星星之火可以燎原,或许这个搅局者将来真的能成为领导者,也不一定呢。

 

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