【中國安防展覽網(wǎng) 媒體導讀】在人工智能(AI)時代，此前物聯(lián)網(wǎng)(IoT)領(lǐng)域的AI芯片往往身陷困局，傳統(tǒng)CPU算力不足，AI協(xié)處理器的面積和功耗又偏大。為了打造一款率低功耗的AI芯片，創(chuàng)企們紛紛用起存儲優(yōu)先、存算一體等各種招式，還有一類招式是用RISC-V經(jīng)開源設(shè)計打造的AI芯片，因其低功耗的優(yōu)勢迅速在IoT行業(yè)嶄露頭角。
近兩年來，在ARM和Intel主導的競爭格局中，一個新的開源指令集架構(gòu)RISC-V在芯片江湖聲名鵲起。
面對來勢洶洶的AI和IoT浪潮，RISC-V提供了一種高能效低成本解決方案，吸引了谷歌、高通、IBM、鎂光、西部數(shù)據(jù)、三星、英偉達、惠普、甲骨文、華為、比特大陸、加州大學伯克利分校、麻省理工學院、普林斯頓大學、新加坡南洋理工大學以及中科院計算所等國內(nèi)外200家左右的企業(yè)和科研機構(gòu)加盟。
阿里平頭哥用其主攻IoT安全功能，華米用其造出*支持AI的可穿戴設(shè)備芯片組，鄰國印度將其確立為國家指令集……和其他傳統(tǒng)架構(gòu)相比，RISC-V具有低功耗、低成本、靈活可擴展、安全可靠等四大優(yōu)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，有5家科技老手和6家創(chuàng)業(yè)新秀的產(chǎn)品直接或間接的瞄準了基于RISC-V架構(gòu)的AI芯片。
一、阿里平頭哥蓄勢待發(fā)，華米打響可穿戴AI芯片頭炮
RISC-V是一種基于精簡指令集計算原理建立的開放指令集架構(gòu)(ISA)，由2017年新晉圖靈獎得主、加州大學伯克利分校的Dave Patterson教授帶領(lǐng)團隊設(shè)計研發(fā)。
阿里巴巴今年9月創(chuàng)建的平頭哥半導體公司是由阿里巴巴全資收購的杭州中天微和阿里達摩院合并而成，主要發(fā)力于32位高性能和低功耗嵌入式CPU的IC設(shè)計。
就在合并的2周前，中天微宣布基于RISC-V的第三代C-SKY指令架構(gòu)，同時發(fā)布基于RISC-V第三代指令架構(gòu)處理器CK902，可靈活配置TEE引擎，支持IoT安全功能。
截至9月，中天微基于C-SKY CPU IP核的SoC芯片累計出貨量已經(jīng)突破8億顆。中天微還將針對不同的產(chǎn)品應用場景和客戶設(shè)計需求，持續(xù)推出支持RISC-V的CPU IP系列。
此外，中天微與小米旗下的松果電子在11月宣布就RISC-V達成的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系并進行聯(lián)合開發(fā)，以中天微RISC-V CPU處理器為基礎(chǔ)平臺，松果電子提供市場競爭力的SoC智能硬件產(chǎn)品。
同樣在今年9月，小米生態(tài)鏈在美國上市的公司華米科技推出了*RISC-V架構(gòu)的可穿戴設(shè)備黃山1號，并稱是*支持AI的可穿戴設(shè)備芯片組。
華米的這款可穿戴AI芯片由一顆主頻可達240MHz的處理器和HeartID、ECG、ECG Pro、Arrhythmia四個AI引擎組成，實現(xiàn)在本地端對心率、心電、心律失常等心臟問題進行24小時低功耗實時監(jiān)測分析。
其創(chuàng)始人兼CEO黃汪在10月的采訪中告訴智東西，和手機AI芯片不同，黃山1號可以在智能手表中作為一款協(xié)處理器芯片，配合主處理器工作，也可以在智能手環(huán)中扮演主處理的角色。(對話華米CEO黃汪：*穿戴AI芯片背后的陽謀！)
阿里平頭哥和華米瞄準的是IoT領(lǐng)域，而美國的老牌FPGA供應商美高森美(Microsemi)的RISC-V相關(guān)產(chǎn)品則主打高速增長的醫(yī)療、工業(yè)等機器視覺系統(tǒng)市場。該公司不僅為嵌入式設(shè)計提供RISC-V IP內(nèi)核，并為該系列產(chǎn)品提供完整的工具鏈和基于RISC-V+Linux+CNN加速器的AI解決方案。
美高森美與創(chuàng)企SiFive合作開發(fā)的RV32IM RISC-V內(nèi)核使客戶能夠利用開放式指令集架構(gòu)(ISA)進行設(shè)計，通過許可的BSD授權(quán)，實現(xiàn)全面的移植性和更安全的處理器架構(gòu)。
設(shè)計人員可以將設(shè)計自由地從FPGA移植到ASIC，而無需支付權(quán)益金。此外，工程人員還可以針對其特定應用協(xié)作、修改和改編RISC-V內(nèi)核，充分發(fā)揮創(chuàng)新水準。
除了美高森美外，另一家IP公司中國臺灣晶心科技在近日于美國硅谷舉行的2018 ANDES RISC-V CON大會上展示了基于RISC-V的產(chǎn)品。
晶心科技是家納入RISC-V的商用主流CPU IP公司，該公司在大會上詳細介紹了使用開放來源指令集架構(gòu)(ISA)的6顆內(nèi)核以及開發(fā)中的4顆內(nèi)核，截至上個月，晶心科技的RISC-V內(nèi)核在擁有12家授權(quán)商，被廣泛用于儲存服務器、指紋辨識器以及幾種AI應用中。
除了上述提及的公司外，北京君正、中興微、聯(lián)發(fā)科等很多玩家的RISC-V計劃正在進行中，西部數(shù)據(jù)、英偉達、三星等科技巨頭也分別在公共場合表露將在旗下產(chǎn)品中用到RISC-V架構(gòu)。
硬盤巨頭西部數(shù)據(jù)在去年11月宣布，未來旗下硬盤處理器和控制器都逐漸轉(zhuǎn)移至成RISC-V架構(gòu)，一旦轉(zhuǎn)型完成，預計每年將有20億個基于RISC-V架構(gòu)的內(nèi)核出貨。
GPU王座英偉達表示將來會把旗下的GPU控制核心替換成RISC-V核，三星半導體也被指在其Exynos 8890處理器中采用基于開源的RISC-V架構(gòu)的自主CPU內(nèi)核M1。
未來上述大公司或機構(gòu)很有可能會將RISC-V運用到他們自己的云計算設(shè)施中，以擺脫對X86的依賴或是減少昂貴的ARM指令集授權(quán)費用。據(jù)悉歐盟超算機構(gòu)EPI已經(jīng)決定在規(guī)劃中的兩套下一代E級超算中的其中一套用上RISC-V處理器。
二、ARM小師弟？RISC-V的誕生史
引得一眾科技巨頭為之站臺的RISC-V，和當前移動終端的主流架構(gòu)ARM卻是師出同門。
*，芯片江湖有兩大指令集架構(gòu)縱橫天下，復雜指令集(Complex Intruction Set Computer, CISC)的代表英特爾x86在PC市場無出其右，精簡指令集(Reduced Intruction Set Computer, RISC)的代表ARM則在移動終端。
兩類指令集的命名都相當“集”如其名：CISC指令集約有20%的指令會被反復使用，占全程序代碼的80%，靠設(shè)計出盡可能復雜的指令來完成任務；而RISC的理念更加精簡，會采用固定長度的指令格式和單周期指令，優(yōu)先選用高頻使用的簡單指令。
上世紀80年代，加州大學伯克利分校的Dave Patterson教授主導了Berkeley RISC項目并從零設(shè)計出代處理器RISC I。因為當時市面的CPU價格太昂貴，英特爾又不肯給出x86的授權(quán)，英國Acorn公司的創(chuàng)始人Roger Wilson和Steve Furber設(shè)計了款RISC微處理器——ARM(Advanced RISC Machine)。
幾乎是同一時間，曾斯坦福大學校長的John Hennessy與其團隊設(shè)計出MIPS處理器的早期雛形，并終孵化出后來被Imagination收購的MIPS公司。
隨著智能手機時代的到來，ARM以其低功耗、低成本和高性能的特點攻破微軟和英特爾打造的PC壁壘，迅速在移動互聯(lián)網(wǎng)的狂潮中建立起自己的生態(tài)，將蘋果、高通、三星等一大批巨頭攏入麾下，共同顛覆了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)時代。
而如今AI、IoT等新興技術(shù)的爆發(fā)，處理器指令集架構(gòu)大有再有*之勢。而這一輪新的變天風波的主角，正是ARM的同門師弟——第五代RISC處理器RISC-V芯片。
RISC-V是基于精簡指令集(RISC)原理搭建的全新開源指令集架構(gòu)(ISA)，亦由David Patternson教授帶領(lǐng)完成。V既指第五代，又代表變化(variation)和向量(vectors)。
秉承“大道至簡”的設(shè)計哲學，RISC-V基礎(chǔ)指令集只有40多條，加上其他的模塊化擴展指令總共幾十條指令。 RISC-V的規(guī)范文檔僅有145頁，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁。
相比傳言要上千萬美元的ARM指令集架構(gòu)的許可證，RISC-V以其完全開源、短小精悍的模塊化設(shè)計、沒有過時定義的束縛、沒有嚴重的指令冗余、沒有問題等優(yōu)勢開始吸引初創(chuàng)公司和研究機構(gòu)的目光。
三、國內(nèi)創(chuàng)企方興未艾，國外創(chuàng)企產(chǎn)品已出
在科技巨頭還在放話要支持RISC-V架構(gòu)之時，國內(nèi)外多家創(chuàng)企已經(jīng)積極行動起來。
今年10月29日，2008年創(chuàng)立于上海的企業(yè)樂鑫收到一個好消息。樂鑫“基于RISC-V指令集架構(gòu)的ESP32-Marlin物聯(lián)網(wǎng)芯片”項目入選上海經(jīng)信委對軟件和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金擬支持項目名單。
芯來科技比樂鑫的成立晚了10年，卻是國內(nèi)家專注于IoT和邊緣計算領(lǐng)域的RISC-V處理器內(nèi)核IP公司，該公司推出了用于IoT應用的N200系列超低功耗RISC-V核心IP，據(jù)稱和國外公司處于同一起跑線。
芯來科技的COO徐來告訴智東西，RISC-V和ARM間存在客觀差距，所以該公司選擇了ARM立足不問的IoT等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的IoT領(lǐng)域比較封閉，不像傳統(tǒng)的手機處理器應用那么依賴生態(tài)，從這個點開始逐步完善IoT領(lǐng)域是個不錯的策略。
其創(chuàng)始人胡振波是本RISC-V中文書《手把手教你設(shè)計CPU——RISC-V處理器篇》的作者，開發(fā)了中國款開放來源的RISC-V核心蜂鳥E203(Hummingbird E203)。
在蜂鳥E203面世時，胡振波目睹了國外很多專業(yè)RISC-V內(nèi)核IP公司陸續(xù)出現(xiàn)并飛速發(fā)展，其中SiFive公司能運行Linux的四核RISC-V內(nèi)核已在中國大陸市場推廣，而國內(nèi)CPU業(yè)界遲遲未見行動，“著急”的胡振波毅然決然的成立了芯來科技。
而把芯來科技“逼”出來的關(guān)鍵要素之一SiFive即是美國一家從RISC-V項目團隊孵化出的基于RISC-V的定制半導體供應商，它通過開放式架構(gòu)處理器核心及自主式開發(fā)基于RISC-V架構(gòu)芯片來幫助SoC設(shè)計。
該公司在今年5月就完成了5060萬美元的C輪融資，華米科技也參與了該輪融資。今年6月，SiFive宣布推出其為嵌入式設(shè)備使用設(shè)計的可配置的小面積、低功耗微控制器(MCU)核心E2 Core IP系列。
除了SiFive之外，美國還有兩家RISC-V創(chuàng)企的創(chuàng)始人都師從RISC-V的開創(chuàng)者David Patterson，他們分別是OURS的創(chuàng)始人譚章熹博士和Esperanto的創(chuàng)始人Dave Ditzel。
OURS公司在深圳設(shè)立的中資公司睿思芯科，僅用7個月就設(shè)計出了一款基于64位RISC-V指令集的AI芯片Pygmy，采用臺積電28nm制程工藝，具有12個高度可編程AI加速引擎，主要針對神經(jīng)網(wǎng)絡以及CNN算法進行了優(yōu)化，能夠支持AI圖像和語音的應用，能耗和面積明顯優(yōu)于同級別Arm架構(gòu)芯片。
根據(jù)睿思芯科的說法，Pygmy對比同級別的Arm芯片，能耗下降85%，面積減少80%，相當于用一般的32位處理器的面積和功耗就實現(xiàn)了64位處理器的性能。這款AI芯片一次性流片成功，并在11月初世界互聯(lián)網(wǎng)大會上David Patterson的演講中亮相。
另外，提供Pygmy芯片的同時睿思芯科還開發(fā)了編譯器、SDK、工具鏈，基于GCC、LLVM等開源實現(xiàn)，可以支撐Pygmy用戶更好的進行二次開發(fā)。
Esperanto Technologies的總裁兼CEO Dave Ditzel從事芯片工作有40年了。他在大學期間就參與了RISC-V指令集的開發(fā)，曾在英特爾工作6年，并曾領(lǐng)導微軟一個重要的項目團隊。
2014年，Dave Ditzel成立Esperanto Technologies公司，旨在要打造能夠以超低功耗運行AI軟件的芯片，并希望終打造出基于RISC-V等開源標準的強計算性能的機器學習計算系統(tǒng)。
目前，該公司正在設(shè)計一款單芯片上的超級計算機，采用臺積電7nm制程技術(shù)，能在每個芯片上放置具有完整64位RISC-V處理器的一千個ET-Minion處理器內(nèi)核。Dave Ditzel向智東西透露，明年Esperanto將有新產(chǎn)品投入市場。
雖然同樣是做基于RISC-V架構(gòu)的處理器，法國創(chuàng)企Greenwaves Technologies主要面向的是來自IoT等終端市場的邊緣計算需求。
GreenWaves在今年3月推出了款RISC-V架構(gòu)的超低功耗邊緣計算處理器GAP8，采用臺積電55nm 55LP制造工藝，旨在邊緣端依賴電池做長期的復雜運算，可應用于噪音過濾、檢測攝像頭、納米無人機等邊緣設(shè)備，從而進一步擴展物聯(lián)網(wǎng)市場。
該公司CEO Loic Lietar告訴智東西，GAP8的架構(gòu)使它不僅擁有比競爭對少高20倍的計算能力，而且在成本系統(tǒng)解決方案所需的電力方面，較競爭對手低2到3倍。
他還介紹，GAP8計劃在明年量產(chǎn)，而能效比GAP8提升6倍、浮點計算能力比GAP8提升2倍的GAP9將在明年12月份會進行出臺，在2020年的一季度進行量產(chǎn)。
除了歐美國家之外，我們的鄰國印度也推出了自研的基于RISC-V架構(gòu)的芯片。
印度理工大學馬德拉斯(IIT-M)研究團隊推出了印度個自主微處理器Shakti。該項目始于2011年，該芯片的設(shè)計基于RISC-V指令集架構(gòu)，使用180nm工藝，由印度空間研究組織(ISRO)的半導體實驗室在昌迪加爾制造，可用于洗衣機、智能相機等智能設(shè)備中。 7月，英特爾位于美國俄勒岡州的工廠生產(chǎn)了300個Shakti的早期版本芯片“RISECREEK”。
從Shakti處理器研究團隊獨立出來的印度創(chuàng)企InCore Semiconductors針對從超低功耗IoT到臺式計算機的邊緣系統(tǒng)應用，正在打造基于RISC-V的處理器內(nèi)核，以及深度學習加速器和SoC設(shè)計工具，并預計將在今年年底之前推出其*核心。
四、RISC-V如何在IoT領(lǐng)域比傳統(tǒng)CPU+AI引擎做的更好？
今年6月底，ARM曾開設(shè)了一個“質(zhì)疑”RISC-V架構(gòu)的網(wǎng)站riscv-basics.com，從成本、生態(tài)系統(tǒng)、碎片化風險、安全性和設(shè)計保證上對 RISC-V 進行攻擊。這一舉動被許多人解讀為ARM已經(jīng)感受到來自RISC-V的威脅。在遭到了RISC-V建網(wǎng)站反懟并引起眾多廠商和軟件社區(qū)的不滿后，ARM在7月10日關(guān)掉該網(wǎng)站。
然而*，ARM在移動終端的地位穩(wěn)如泰山、堅若磐石，“后來者居上”的可能性極低。那么為什么RISC-V這幾年發(fā)展速度遠超過其他處理器？它又為什么會被稱為是IoT領(lǐng)域適合的處理器架構(gòu)呢？
總的來說，RISC-V指令集架構(gòu)具有低功耗、低成本、開源開放、可模塊化、簡潔、面積小、速度快等優(yōu)點，與IoT場景需求碎片化的、可定制化的特性十分契合。
1、低功耗
通常每個AI芯片在CPU上的耗能非常高，會致使整個續(xù)航能力下降。而RISC-V適合用于設(shè)計實現(xiàn)，可根據(jù)應用需求靈活剪裁，再加上其全部RISC-V指令不超過50個，因此其內(nèi)核面積更小，相應的功耗越低，能以極低的能耗來實現(xiàn)的AI元器件的運行。
華米創(chuàng)始人兼CEO黃汪告訴智東西，手機芯片需要不斷使用新的制程，而IoT芯片使用55nm/40nm非常成熟的半導體工藝就可以制作，55nm流片的工藝成熟度使得代工廠商的可選性很多，大陸、中國臺灣、新加坡的均可，這就降低了依賴性。
2、低成本
RISC-V允許任何人免費設(shè)計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件，無需像ARM那樣購買昂貴的架構(gòu)許可證。
據(jù)黃汪介紹，市面上不具備AI而只具備同樣主頻的芯片成本一般在2美金左右，而具備AI功能的芯片成本少于1美金，RISC-V在成本和功能上都大大躍進了一步。不同于手機芯片動則需要投入幾億美金，做顆芯片流片量產(chǎn)幾千萬人民幣，不會太費錢。
GreenWaves創(chuàng)始人兼CEOLoic Lietar也提到，其GAP8產(chǎn)品在成本系統(tǒng)解決方案所需要的電力方面，比它的同等其他的替代競爭對手要低2到3倍。
做處理器不僅要考慮硬件設(shè)計，還要考慮用它來進行編程的用戶，所以也包含了工具鏈和相關(guān)生態(tài)建設(shè)。芯來科技COO徐來還提供了另一個角度，如果由一家公司承擔這些建設(shè)，時間和資金投入的成本都會非常高，比如英特爾就花了幾十年來做生態(tài)建設(shè)，而由于RISC-V是一個標準化指令集架構(gòu)，很多不同公司和個人會參與到生態(tài)建設(shè)，均攤了研發(fā)成本。
3、靈活可擴展
RISC-V是一個模塊化的架構(gòu)，其不同部分能以模塊化的方式串在一起，從而試圖通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應用。
由于IoT場景非常廣泛和碎片化，需要為數(shù)千種以多種不同方式連接世界的應用案例來設(shè)計芯片，因此可擴展的架構(gòu)成為終端運算的關(guān)鍵。
和不同系列相互不兼容的ARM相比，RISC-V具有能夠靈活地擴展指令集的優(yōu)勢，可以新增專用指令，也可以擴充邊緣運算裝置所需的運算資源，不僅能實現(xiàn)超低功耗的復雜AI計算，而且有助于推動架構(gòu)創(chuàng)新以達到更高的能效。a
另外，x86、ARM、MIPS等架構(gòu)的知識產(chǎn)權(quán)都屬于某個特定的外國公司，無法在指令集架構(gòu)上按自己的想法做修改和擴展，而且在工具鏈做的修改是沒有人維護的。
特別是在IoT領(lǐng)域，徐來認為，比如在智能傳感器等設(shè)備，只需要有限指令集，芯片面積又要求盡可能小，在這種情況下需要對現(xiàn)有處理器進行剪裁。相對于不能修改的x86、ARM等傳統(tǒng)指令集架構(gòu)，RISC-V因其開放性可以做一些剪裁。
而且IoT設(shè)備會長時間重復運行幾個應用，不會像PC或手機那樣需要安裝和卸載不同應用，因此不存在對軟件兼容性的依賴問題。
因其可擴展性，RISC-V的應用范圍非常廣闊。Loic Lietar表示，RISC-V指令集設(shè)計的目標是能夠滿足從微控制器到超級計算機各種尺寸處理器的需求，不過目前看到的更多的是RISC-V IoT終端處理器。
4、安全可靠
采用ARM等封閉式架構(gòu)內(nèi)核的平臺，看不到源代碼，所以無法了解門級電路設(shè)計細節(jié)。一旦出現(xiàn)問題，將不得不給原架構(gòu)提供商打電話派人來解決問題。
不過RISC-V可以解決這一問題。RISC-V的用戶可以查看內(nèi)核的所有細節(jié)，可以全面檢查每一行代碼以確定系統(tǒng)的安全，甚至根據(jù)需要定制化自己的安全模塊。相對于ARM，對產(chǎn)品安全要求高的人可能會更能接受RISC-V。
結(jié)語：RISC-V有望加強中國處理器IP的話語權(quán)
盡管從市場的實際情況來看，RISC-V取代ARM在移動終端等核心業(yè)務中的地位基本無望。但業(yè)界普遍認為，在IoT等新興的邊緣領(lǐng)域，RISC-V與ARM處于同一起跑線，兩者將形成正面競爭，RISC-V在成本等方面具有優(yōu)勢，Arm在生態(tài)等方面具有優(yōu)勢。因此，RISC-V是很有希望促使中國加強處理器IP的話語權(quán)，推動產(chǎn)品創(chuàng)新和差異化，建立自主可控的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
如今國內(nèi)的RISC-V生態(tài)建設(shè)正在快速推動中，從5月，上海發(fā)布國內(nèi)明確表示支持RISC-V的政策，到9月，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在上海成立，再到11月，中國開放指令生態(tài)(RISC-V)聯(lián)盟在烏鎮(zhèn)宣布成立。
產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的多家企業(yè)表示，RISC-V的開源將大大降低指令集修改的門檻，有利于中國發(fā)展自主可控的處理器，擺脫國外的制約。
不過，技術(shù)的先進性不代表商業(yè)就能成功，生態(tài)問題始終是制約一個架構(gòu)發(fā)展的大瓶頸。ARM之所以能制霸移動終端，除了它在技術(shù)上的優(yōu)勢外，抓住時機、迅速建立起生態(tài)亦是關(guān)鍵。但生態(tài)建設(shè)并非一蹴而就，隱藏在生態(tài)問題背后的政策、資金、人才等多方面的壓力都在制約著RISC-V在國內(nèi)的發(fā)展。
要實現(xiàn)國產(chǎn)RISC-V自主可控發(fā)展，不僅要迅速行動抓住時機，還應以市場為導向，找準適合的市場定位和客戶群。在真正對ARM造成威脅之前，RISC-V距離成為主流架構(gòu)還有很長的路要走。
PC時代成就了英特爾x86，移動時代成就了ARM，那么AI和IoT時代成就的會是RISC-V嗎？
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