（原文來自半導體Chaney觀察翻譯自“Semiconductor Emgineering"，本文作為轉(zhuǎn)載分享，謝謝）

RISC-V正進一步進軍主流市場，在眾多設計領(lǐng)域嶄露頭角，并獲得了越來越多的芯片制造商、工具供應商、大學和代工廠的支持。大多數(shù)情況下，它被用作一種補充的處理器，而非其他處理器的替代品，但這在未來可能會改變。

對于芯片制造商而言，RISC-V特別具有吸引力的是開源。RISC-V指令集架構(gòu)（ISA）在本世紀初開始在加州大學伯克利分校開發(fā)，可通過伯克利軟件分發(fā)（BSD）許可證獲得，它允許以最小的限制廣泛分發(fā)設計。這對于開發(fā)原型的初創(chuàng)公司來說尤其適用，但也適用于高度特定的應用，如安全協(xié)處理器，因為它的源代碼可以調(diào)整。此外，它在中國等市場表現(xiàn)良好。在中國，全國都在努力降低半導體貿(mào)易逆差，以及芯片的IP成本。

大多數(shù)支持者欣然承認，在RISC-V對市場上 已有的處理器核心構(gòu)成嚴重威脅之前，它還有很長的路要走。為特定的應用開發(fā)軟件和微架構(gòu)需要時間，而RISC-V基金會自2015年才成立。這一切使得RIS C-V架構(gòu)成為協(xié)處理器的一個有趣選擇，但并不一定是商業(yè)設計中的主要處理元素。事實上，我們尚不清楚RISC-V是否會真正取代一些領(lǐng)先的處理器架構(gòu)。但它肯定會在那些成熟的處理器旁邊找到立足點，隨著RISC-V架構(gòu)和軟件的成熟，它的角色只會越來越重要。

Microsemi公司FPGA營銷總監(jiān)、RISC-V基金會發(fā)言人Ted Marena表示：“看看市場就知道，x86不會消失，ARM架構(gòu)也不會消失。參考RISC-V的方式，以及諸多客戶對這項技術(shù)的看法，我們可以得出結(jié)論，RISC-V是一種選擇。它可以實現(xiàn)人們可能需要的創(chuàng)新水平。有很多人不需要它，但他們還有很多選擇。 但對于那些需要更高級別功能的人而言，RISC-V正是填補空缺的地方?！?/p>

ARM、MIPS、Synopsys（ARC）和Cadence（Tensilica）已經(jīng)成功推廣了各自的ISA，以及一整套工具和軟件，但它們阻止了這些架構(gòu)的擴展。ARM和MIPS憑借其處理器在移動和網(wǎng)絡市場中占據(jù)了主導地位。此外，每一種處理器都有集中的生態(tài)系統(tǒng)和OS/中間件的首選項。

Imperas公司首席執(zhí)行官Simon Davidmann表示：“有了Synopsys的ARC和Cadence的Tensilica，他們鼓勵擴展，并且有方法來幫助用戶解決這個問題。他們在不需要大量生態(tài)系統(tǒng)支持的特定音頻和DSP市場上取得了成功。”

另一方面，Davidmann指出，RISC-V的設計旨在擴展，生態(tài)系統(tǒng)正在與商業(yè)工具一起發(fā)展，以協(xié)助設計和驗證這些擴展。RISC-V采用者瞄準了AI、ML和物聯(lián)網(wǎng)等尚未建立OS/中間件首選項的新興市場。每種架構(gòu)都有許多細分市場。

圖1：SiFive的RISC-V Linux-ready架構(gòu)。 （來源：SiFive）

OneSpin Solutions公司技術(shù)營銷經(jīng)理Sergio Marchese對此表示贊同：“服務公司和EDA供應商有很多機會提供量身定制的解決方案，以適應開放的、可互操作的設計開發(fā)框架，工程師可以選擇一流的解決方案并無縫部署。請設想，如果擁有了開放的、正式的RISC-V ISA規(guī)范，并使用它在硬件實現(xiàn)的簡單或復雜微架構(gòu)的驗證中提供前所未有的嚴格性和自動化水平，這該有多好?！?/p>

但是，供應商也將在其使用的RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的所有部分對解決方案的優(yōu)點展開競爭，無論是涉及IP、軟件工具還是EDA。

西門子Mentor事業(yè)部設計驗證技術(shù)部營銷總監(jiān)Neil Hand表示：“RISC-V建立方式的美妙之處在于，人們可以選擇開拓一個有利可圖的市場，或直接提供競爭解決方案。玩得好才是唯一的選擇。”

但并非每個人都同意這個觀點。Breker Verification Systems首席營銷官Dave Kelf表示：“RISC-V基金會的一些人認為，RISC-V會與ARM直接展開競爭?！?/p>

Kelf表示：“如果我們看看RISC-V指令集架構(gòu)相對于ARM和其他商業(yè)處理器供應商的開放性質(zhì)，就很容易明白其中的原因。不過，從市場的實際情況來看，在不久的將來，RISC-V不太可能取代ARM在其任何核心業(yè)務中的地位。與ARM相比，RISC-V有一個有趣的優(yōu)勢，它能夠擴展指令集，同時仍然使用標準化的工具流。這使得它與Tensilica和ARC等可擴展的處理器相比更具競爭力，并取代了內(nèi)部處理器?？纯茨壳肮緝?nèi)的項目，正是這些應用已經(jīng)用上了RISC-V。到目前為止，它還沒有與ARM正面交鋒。然而，開放的ISA的威脅一定會讓ARM感到緊張，而ARM公司迅速刪除了它之前發(fā)布的一個網(wǎng)頁表明，情況可能確實如此?！?/p>

RISC-V最適合的領(lǐng)域

對于一些工程團隊而言，使用基于RISC-V的處理器實現(xiàn)定制的承諾是很有吸引力的，許多人正在使用RISC-V來取代內(nèi)部的專用加速器，這樣他們就可以利用軟件生態(tài)系統(tǒng)，因為RISC-V具有高度可擴展性。Kelf指出，這些加速器通常對用戶是隱藏的，而ARM內(nèi)核是暴露給軟件開發(fā)人員的。

Microsemi公司的Marena以Western Digital為例，說道：“他們想要一種特殊的總線和接口。對于他們的情況，則需要一些超出標準化架構(gòu)的東西。處理器在很多方面都做得很好，但有些事情它們做得不太好。所以，當你尋求特殊功能，想要下一級別的創(chuàng)新的時候，RISC-V便有了用武之地?！?/p>

在硬件安全方面也是如此。人們通常認為開源硬件是更安全的，因為它是由更多的人為更多的終端應用開發(fā)的。

Rambus公司首席技術(shù)官Martin Scott表示：“物聯(lián)網(wǎng)是非常危險的生態(tài)系統(tǒng)，需要保護。從芯片到云，以及中間的任何地方，都存在漏洞。設計中可能存在固有漏洞，這些漏洞連接到不安全的臨時全球網(wǎng)絡和軟件棧。有很多不同的流程（包括業(yè)務流程和安全流程）都需要管理，沒有中央機構(gòu)或中央標準?！?/p>

斯科特說，有一些實用的方法來處理硬件安全問題，例如使用安全層。但他補充說，開源的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于，人們能夠共享關(guān)于漏洞在何處出現(xiàn)以及如何解決這些漏洞的信息。“我們使用RISC-V的原因是，我們可以操作ISA以保證安全。這非常重要。微架構(gòu)的實現(xiàn)和架構(gòu)本身一樣重要，因為從旁路攻擊的角度來看，以不同方式完成的等效功能實現(xiàn)可能會產(chǎn)生非常不同的安全問題?！?/p>

這正是RISC-V目前正在尋找用武之地的領(lǐng)域。ARM公司嵌入式和汽車戰(zhàn)略副總裁Tim Whitfield指出，器件正在向更異構(gòu)化的方向轉(zhuǎn)變，專用處理器也是如此?！巴ㄓ玫挠嬎惴绞綍兓瘑酭ISC-V圍繞該答案所做的創(chuàng)新是好的。專家們一直在深度嵌入式領(lǐng)域使用RISC-V，它正在取代執(zhí)行非常專業(yè)任務的專用內(nèi)核。這意義重大，因為你可以靈活地操作架構(gòu)，去做一些瑣碎的工作，構(gòu)建接口。這是目前RISC-V非常適合的地方?！?/p>

但UltraSoC首席執(zhí)行官Rupert Baines表示，考慮到企業(yè)在代碼、指令集和架構(gòu)方面的巨額投資，RISC-V還可能通過專有架構(gòu)獲得青睞?！傲硪粋€方面是臨界質(zhì)量，開發(fā)維持低于臨界點（critical mass）的東西可能非常昂貴。對于像英偉達這樣的公司，他們有自己完全定制的東西，現(xiàn)在他們已經(jīng)擁有了RISC-V。他們受益于所有的工具和編譯器，這仍然是他們自己的定制，但他們只是降低了開發(fā)成本，因為他們可以利用其他的一切?！?/p>

Baines說，Andes和Codasip等其他公司正在提供基于RISC-V的內(nèi)核，并且保持其業(yè)務模式不變——它們授權(quán)使用內(nèi)核和開發(fā)環(huán)境，但由于他們使用通用ISA，所以它們可以利用世界其他地方的投資，達到臨界點（critical mass）。

基于RISC-V的處理器已經(jīng)與SoC中的ARM處理器并駕齊驅(qū)，Whitfield希望這種情況能像其他架構(gòu)一樣繼續(xù)下去。“其他架構(gòu)已經(jīng)存在，并將永久存在，無論是提供了人們所需要的類似的架構(gòu)靈活性的Tensilica，還是RISC-V處理器。它們都與ARM應用處理器和ARM嵌入式處理器共存。”

Davidmann 表示，實際上，大多數(shù)不只有一個核心的SoC往往擁有較大的多核應用處理器（如Arm或MIPS）運行主操作系統(tǒng)，如Linux；周圍有較小的“minion”處理器（如Andes或其他RISC）運行RTOS和其他內(nèi)核，或是裸機，以加速應用的性能。

Whitfield補充道：“你必須記住RISC-V是一個架構(gòu)，到頭來就是一張紙。Andes、Codasip，以及其他公司將建立一個微架構(gòu)。這既昂貴又困難。ARM不僅僅是CPU架構(gòu)，還是一家IP公司和一個系統(tǒng)解決方案軟件生態(tài)系統(tǒng)。所以，我們可以共存，這是一種“贏家通吃”的死亡競賽——這絕對不是零和游戲。其他架構(gòu)一直都有空間。在有技術(shù)意義的地方，我看到了深度嵌入的專有類型。也許將來會有別的東西。ARM沒有理由不以某種方式復制同樣的優(yōu)點。處理器可能會有不同的未來，ARM必須開發(fā)不同的IP來填補這個空白。”

缺少的東西

為了使RISC-V在商業(yè)基礎上真正起飛，我們需要工具和軟件，以及未來SoC設計在處理器ISA、IP供應商和軟件棧方面將越來越異構(gòu)的理解。

Davidmann表示：“行業(yè)需要新的先進工具來建模、模擬、移植軟件、開發(fā)和調(diào)試新軟件。驗證這些新型異質(zhì)多核系統(tǒng)的正確運行將是未來的核查預算中的很大一部分?！?/p>

Mentor事業(yè)部的Hand表示：“還需要一種一致的方法來測試基于RISC-V的處理器的合規(guī)性，不包括擴展，并對包含一些RISC-V技術(shù)的系統(tǒng)進行功能驗證?！?/p>

Breker公司的Kelf指出，最大的問題之一是開放式指令集架構(gòu)與開源核心或軟件工具之間的混淆?！癛ISC-V是一個開放的ISA，但這并不一定意味著開源實現(xiàn)。這就導致了一些問題，例如個體實現(xiàn)是否符合ISA標準，因此，驗證是一個大問題，尤其是當ISA被擴展時。確實有內(nèi)核、軟件工具和RISC-V的其他方面的開源實現(xiàn)，但這些功能的商業(yè)準備是否成熟還存在疑問。人們需要更多的商業(yè)產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品具有很強的魯棒性，公司完全會冒險使用它們的SoC。當然，SiFive是開發(fā)更強大實現(xiàn)的公司之一。”

對此，SiFive認為，開發(fā)復雜芯片的成本很高，這對芯片行業(yè)而言是不健康的。

SiFive公司首席執(zhí)行官Naveed Sherwani表示：“這一切都關(guān)乎半導體業(yè)務的生存。如果開源是一個棧，你可以免費使用任何可用的東西，而且可以隨時購買一個更好的版本。但這意味著你可以基于開源組件構(gòu)建原型。構(gòu)建芯片所需的所有IP都是免費的。如果你的芯片投入生產(chǎn)，那么你就得支付IP的費用，無論價格貴賤?，F(xiàn)在你所做的就是降低生產(chǎn)原型的成本。開發(fā)芯片的成本很高，沒有風險投資公司會資助，也沒有年輕人會嘗試。如果今天的成本是1000萬美元，我希望看到它變成100萬美元。這包括所有IP、所有SerDes、所有DDR控制器。 這就是目標，就是硬件開源的意義。”

軟件的挑戰(zhàn)

異構(gòu)系統(tǒng)也面臨著軟件方面的挑戰(zhàn)，這些問題尚未得到解決。

Baines表示：“從歷史上看，在異構(gòu)系統(tǒng)中，大多數(shù)工具都是為了應對開放式架構(gòu)而設計的，所以你最終得到了一系列孤島，然后就會在各種不兼容環(huán)境之間切換，每個環(huán)境都是特定的?！?/p>

這不僅限于RISC-V。Whitfield表示：“在不同的架構(gòu)中，有GPU和視頻加速器以及各種加速部件，這對軟件而言是個問題。我們看到的許多內(nèi)容都是深度嵌入式應用，它們有自己的生態(tài)系統(tǒng)，或者沒有開放的可編程性。我認為我們還沒見過有兩個應用處理器的世界，也沒見過可編程的特定的加速器，旁邊帶著一個ARM芯片?！?/p>

Baines認為這些系統(tǒng)確實存在，但表示它的規(guī)范案例一直是應用處理器和某種調(diào)制解調(diào)器芯片中的DSP。“調(diào)制解調(diào)芯片一直都有這種架構(gòu)，而且一直都非常困難，因為你有一個ARM和一個CEVA，調(diào)試這種組合很困難。”

這就解釋了為什么唯一真正的粗粒度卸載引擎一直是圖形和視頻，因為它們能夠發(fā)展自己的生態(tài)系統(tǒng)，并且有單獨的引擎支持它的優(yōu)點。Whitfield 表示：“我們在AI中看到了這一點，我們開始看到神經(jīng)網(wǎng)絡加速器和整個生態(tài)系統(tǒng)，所以這將是另一個粗粒度卸載引擎。利用RISC-V所提供的細粒度材料，我們將非常有趣地看到，世界是否真的需要它走向大眾市場。你已經(jīng)在Tensilica和ARC中見過了，有些人需要這種專業(yè)化，但大部分都來自GPU。你離開CPU通用計算，進入加速器，然后得到一個架構(gòu)修訂版，修訂版說因為生態(tài)系統(tǒng)的問題，會加入一些東西使它成為通用架構(gòu)。如果你將其重新構(gòu)建到架構(gòu)中，則可以更輕松地完成。直到現(xiàn)在都是這樣。不過，摩爾定律總會終結(jié)，只有少數(shù)幾個特定領(lǐng)域的架構(gòu)會保留下來。這會發(fā)生嗎？”

Mentor事業(yè)部的Hand對此表示贊同：“軟件方面總是個問題。每個核心都有不同的工具鏈，因此使用這些系統(tǒng)并管理跨系統(tǒng)部分的任務非常復雜。如果許多專有加速器被基于RISC-V的加速器取代，那么這將有助于創(chuàng)建一個共同的生態(tài)系統(tǒng)。今天的情況并非如此，因為每個RISC-V供應商都有自己對工具鏈的定義?！?/p>

驗證問題

另一項挑戰(zhàn)是如何模擬和調(diào)試這些系統(tǒng)。Davidmann表示：“如果你從你的IP提供商那里獲得工具，這些工具可以很好地工作在他們的IP上，但在試圖讓它與其他供應商的IP協(xié)同工作時，往往會出現(xiàn)問題。要為包含來自各種IP供應商客戶的IP的SoC開發(fā)軟件，你需要確保它們的模型、模擬器、調(diào)試、驗證、分析，以及分析工具可以與許多供應商和許多ISA協(xié)同工作?！?/p>

對于現(xiàn)在想要采用RISC-V的用戶而言，選擇是有限的。隨著IP和工具提供商開發(fā)出解決方案，情況將發(fā)生變化。

Baines表示：“外設、硬件、一些工具和生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)生變化，這取決于你采用的時間有多早，在這方面是否適應，或者是否要再等6個月，直到它們更成熟。對于深度嵌入式，很多人都說已經(jīng)非常成熟了。如果你正在設計一個深度嵌入式系統(tǒng)或其他東西，那將是一件非常明智的做法。轉(zhuǎn)向應用處理器和面向客戶的Linux類處理器是目前正在開發(fā)的技術(shù)，因此還不夠成熟?！?/p>

跨核心協(xié)調(diào)許多不同的任務，然后在簽核之前驗證這些任務是至關(guān)重要的。Mentor事業(yè)部的Hand表示：“這些系統(tǒng)的復雜性正在增加，并伴隨著相互依賴的關(guān)系。此外，許多新應用涉及到功能安全至關(guān)重要的領(lǐng)域。因此，我們不僅需要確保某些功能正常，還需要確保其正常失效（對于大多數(shù)設計團隊而言，這是一個全新的領(lǐng)域）。”

法律問題

最重要的是，當一個架構(gòu)被應用到特定的市場時，圍繞專利還有很多問題。

Whitfield表示：“有了RISC-V架構(gòu)，然后才會有微架構(gòu)的CPU。我感興趣的是如何從架構(gòu)到微架構(gòu)。我認為有三條路線。要么拿一張白紙，自己從頭開始設計，這是非常專業(yè)的方法。世界上有一些團隊能夠做到這一點，尤其是當你把它遷移到應用類的時候。你從某個地方獲取開源版本，然后修改并使用它。然后是關(guān)于代碼來源的對話——誰擁有它，它來自哪里，如果你正在談論功能安全和安全性，那么功能安全就是從規(guī)范到實現(xiàn)所要全面了解的東西?！艺谧鲂枨蟾?，問題很多?！阍撊绾谓鉀Q？或者你去第三方IP供應商——Andes或Codasip，然后，模型就與ARM非常相似，他們會為你解決這些問題。但那時，自由的吸引力必然會消失，因為有人投入了大量資金來達到這一點?！?/p>

這導致了涉及IP保護和專利侵權(quán)的挑戰(zhàn)。

Whitfield表示：“從模式的角度來看，架構(gòu)是干凈的，但只要你進入微架構(gòu)領(lǐng)域，就會有英特爾和高通和ARM，還有很多其他公司，他們自己可能不會去靠近那里。專利巨人花了很多時間來保護我們的合作伙伴，所以這是一個挑戰(zhàn)。當你構(gòu)建一個微架構(gòu)時，你幾乎肯定會在某個地方違反一些微架構(gòu)模式，此時，專利巨人就會出現(xiàn)。如果你從開源架構(gòu)中選擇了它，或者自己開發(fā)了它，誰來保護你呢？”

另一方面，當基于指令集架構(gòu)的衍生產(chǎn)品數(shù)量巨大時，保護IP變得更加困難。

結(jié)論

雖然RISC-V繼續(xù)受到關(guān)注，但工具和軟件存在缺陷，并且涉及到所有可定制架構(gòu)的風險。這可能會限制RISC-V在設計中的使用方式和位置，至少在短期內(nèi)如此。但是足夠的市場激勵和機會將使RISC-V成為未來幾年值得關(guān)注的技術(shù)，特別是芯片越來越多地利用架構(gòu)作為提高性能和降低功耗的最佳方式，而不是依賴于相同的處理器越來越密集地實現(xiàn)。