RISC-V：不僅僅是個核心 | 半導體行業觀察
來源：本文由 公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯「semiengineering」，作者 BRIAN BAILEY，謝謝。
晶片製造商對開源ISA的興趣標誌著的一個的重大轉變，但它還需要持續的行業支援才能取得成功。
過去幾年，開源指令集架構（ISA）RISC-V吸引了半導體行業的大量關注，但其未來的成功與否將取決於半導體行業的合作水平。現在它面對的最大問題是該行業對RISC-V成功的承諾。
RISC-V帶來的真正價值在於生態系統的承諾以及行業內專家共同致力於ISA未來的機會。這個生態系統現在看來可能還不存在，但在其未來的路線圖中，它確實存在。RISC-V將像摩爾定律路線圖一樣，推動製造技術超過半個世紀 。
現在，過往的摩爾定律的路線圖正在逐漸脫離軌道，這就是整個行業都出現瞭如此多架構創新的原因。
在最近的Hot Chips 30大會上，展示了數十種新的晶片架構，包括當中包括了多處理器（multiple processors），新記憶體配置和不同的封裝方法。正如HP Labs的研究科學家R. Stanley Williams最近觀察到的那樣，“自摩爾定律開始以來，摩爾定律的終結可能是計算領域中發生的最好的事情。因為一個時代的結束，會推動一個新的創造時代的產生。”
RISC-V的最大好處之一就是它的架構是開源的。“有了RISC-V，通過協作在硬體中產生的任何創新都將創造巨大的經濟效益”， Microsemi可程式設計解決方案業務部產品架構和規劃主管Ted Speers說。“但是誰能獲得獎勵，或者獎勵是什麼樣的回報，仍然需要弄明白”，他接著說。
這不僅僅是為了便宜。“License費用只是前沿SoC設計成本的一小部分，”Linley Group的首席分析師Linley Gwennap說。“架構和IP加起來不到設計成本的15％。而在這15％中，CPU成本只佔很小的一部分。為什麼有人會花費數億美元來節省100萬美元呢？”
目前，Gwennap可以指出RISC-V許多不如其他競爭架構的地方。儘管如此，整個生態系統中的公司仍然採用這個沒有經過太多證明的核心。
這些“嚐鮮者”正在關注長期情況。
“如果只看到RISC-V的實施和技術，或者單純將其與其他競爭對手進行點對點的對比，這是一個很大的錯誤”，SiFive的聯合創始人兼首席架構師和RISC-V基金會的Krste Asanovic說道。“這不是人們跳到RISC-V的原因。人們只是看到了未來的發展方向，可以從這裡看到方向。”
這樣說的話，為什麼那些人願意當第一個吃螃蟹的人麼？“你這是在為未來選擇自由”，Asanovic補充說。“早期的嚐鮮者是不希望以任何方式被鎖定，他們準備擺脫目前的狀態。
這個說法似乎引起了共鳴。
“由於成本和複雜性的提高，定製晶片在過去10年中一直處於低迷的狀態”，Imperas營銷副總裁Kevin McDermott表示。“但如人工智慧和物聯網等新市場已經創造了巨大的潛力，這些裝置的要求指向了定製晶片，那就意味著定製晶片的需求重新被擺到桌面上來。”
正確的目標
目前看來，正在開發的RISC-V架構在生態系統依然存在侷限性。Rambus首席技術官Martin Scott表示，“最好的解決方案並不需要對大量的遺留應用程式向後相容和做到執行一致性”，“你越接近邊緣，越想控制安全屬性或某些特殊的加速功能，又或者你第一次做一些新的或自主的特殊應用，這就是RISC-V真正有趣的地方。”
它不僅僅是一個單一的產品。“人們希望在他們的產品中建立標準的軟體基礎，” Asanovic補充道。“對於其他供應商來說，他們的核心可能在一個領域或多個領域中都表現很好，但最終你都會為每個應用程式挑選一個不同的核心。”
這就是Arm、Intel和Synopsys（ARC）以及Cadence（Tensilica）等廠商過去表現良好的原因之一。它們提供了大量必要的基礎設施和生態系統支援，當中包括了與所有主要代工廠建立了深厚的合作關係以及大量的製造流程認證。
“替代方案是從一個相當封閉的生態系統中拿出一個非常大的架構授權，”Scott指出。
Microsemi的Speers也同意這個觀點。“許多使用RISC-V的公司最初的起點都是在較大型SoC中選擇控制核心作為小型實現。人們從小規模嘗試開始，構建屬於他們自己的生態系統，這個可以根據他們的SoC的不同方面進行定製。”Speers補充說。
這與SiFive所看到的也符合。
“我們一般要求微晶片的時鐘比較快，但大晶片則沒有那麼高的執行速度要求，Asanovic說。“市場對這種靈活性的需求也正在提升，但沒有一家供應商可以提供所有這些。因為沒有人想只是為了滿足在某些產品中擁有不同形狀核心的要求而重建他們的軟體堆疊。他們想要一個統一的軟體，並在此之上構建各種各樣的可用實踐。”
業務模型
這意味著不同的業務模型。
“舊的模式是你選擇核心供應商，你得到他們的ISA，”Asanovic說。“新模型是：我選擇RISC-V然後我選擇供應商。我可以在每個產品的不同的晶片上使用不同供應商的核心，我甚至可以建立自己的核心。我也可以使用開源核心或商業支援的核心。“
這就顯著提高了設計的靈活性，這與目前最先進的工藝節點處的設計因為電晶體縮放帶來的越來越嚴格的設計規則形成鮮明對比。
Rambus Scott表示：“這是一種柔韌性和靈活性，在架構周圍也具有很大的透明度，在這些地方你很可能會做出一些你過去不會做的事情，或者以高度差異化的方式做事。”“這是一種從原子水平開始，並以正確的方式做到的能力，而不是別人為你決定。”
這種級別的靈活性在過去並不存在。
“他們很聰明，因為他們讓ISA開源，而不是微架構，” Speers斷言。“之前有一個叫做open core 32的開源專案，那是歐洲一個充滿活力的開源硬體集團。但他們開放的是處理器的實現。而對於RISC-V，它開放的是指令集，你可以使用它來實現從最小的IoT裝置晶片到伺服器級處理器的任何級別的IC。RISC-V不但有開源IP，還有商業IP的專有實現，但毫無疑問，它們將擁有與過去IP供應商不同的商業模式。“
這正是RISC-V讓工程師們興奮的原因之一。
“圍繞RISC-V開展的一些活動正在賦予其這種獨立感，” McDermot說。“我現在可以投資一些我認為很好的解決方案。因為其合規性和相容性，我也可以選擇在其他地方重複利用這項投資。”
合作
然而，新的RISC-V架構要求產業界以過去從未見過的水平進行合作。行業內部以及產業界和學術界之間必須緊密合作，才能推動RISC-V繼續前進。Asanovic的第三個身份——加州大學伯克利分校教授就是這種要求的重要證明。
“RISC-V來自學術界，在這個領域使用產業界ISA製造晶片一直是不可能的，因為他們太複雜了，還被IP所束縛，你無法與他人分享你的工作。而在學術界，你可以建立在別人的基礎上。所以我們建立了RISC-V來實現我們想要進行的研究，再然後它就被業界採用了。
現在，工業界發生的事情正在被反饋到學術界：軟體被移植，分發可用，大學研究小組可以使用這個ISA，他們也可以使用商業支援的完整堆疊軟體來進行修改。
大學發展正在良性迴圈：部署在工業界、行業內發現的問題，正在被送回學術界解決，然後他們可以立即重新使用。“
而事實上，我們也的確發現了一些問題。
“普林斯頓大學的研究人員做了一些工作，可以證明雖然RISC-V記憶體一致性模型中（memory consistency model）沒有錯誤，但在堆疊中補上其缺失的一部分可以以使其堅如磐石，”Speers說。“因為有研究人員正在研究RISC-V，並且因為它完全開放，所以它開發了一個非常強大的記憶體一致性模型。這是每個人現在都能從中受益的東西。”
這也使大學畢業生與招聘公司更加相關。
McDermott指出：“各組之間的技術交流更加緊密，學術界多年來也一直在教授諸如新型架構等主題。”“學生可以提供最先進，相關和有用的東西。每個畢業生想要做的就是帶上他們的一些證書參加面試，證明他們是一位有實際經驗的僱員。以上是前景的融合，對我們的行業來說大有裨益。”
這也促進了行業內的合作。Scott表示：“競爭對手比以往更加團結”，“在文化方面，我倍受鼓舞，它激發了我很久沒見過的合作和興奮。但這並不能保證有良好的效果。我們也看到人們從學術界的木製品（woodwork ）中走出來，因為RISC-V的存在，他們與那些有興趣消費他們正在做的事情的人建立了聯絡。RISC-V正在產生一些彌合鴻溝的潛力，特別是在安全領域。“
固化（Hardening）硬體
然而，許多人需要的不僅僅是ISA。
“一張白紙是一項艱鉅的任務，” McDermott說。“RISC-V的一個優點是，如果我可以給你90％的解決方案，並且你可以修改它，那麼它就會讓你“運轉”起來，但你不需要重新發明輪子，因為你有一個基礎設施和基礎，你可以在它上面提供一些東西。”
但是，必須注意不要增加核心和額外的baggage。
“他有一個永遠存在的、非常簡單的核心，這將成為人們可以建立的穩定基礎。”Asanovic解釋說。“它是模組化的，所以你只需要包含你所需要的模組。但它的設計，讓它可以通過多種方式進行擴充套件，當中包括了標準擴充套件，然後是專案可能新增的自定義擴充套件。”
擴充套件的數量將隨著時間的推移而增長。
“RISC-V的成功促進了硬體專案中更多的開源協作，” ANSYS首席軟體開發人員Allen Baker說。“Nvidia開源了他們的深度學習加速器，並將其整合到RISC-V SoC中。Bluespec的Piccolo核心已經向公眾釋出Western Digital承諾支援開源社群。除了標準CPU和SoC之外，向量指令（vector instruction）擴充套件正在推動GPU，神經網路和其他多核架構的開發。該標準的開放性和可擴充套件性使其幾乎可以應用於任何應用程式。基本上，任何可程式設計元件都可以採用RISC-V，從不斷增長的軟體工具集中受益。”
It takes a lot of effort to prepare a core for some markets. “For RISC-V as an architecture to succeed in areas like automotive, RISC-V must be a commercial success and not just a feel-good story,” says Chris Jones, vice president of marketing for Codasip. “ISO 26262 is an expensive proposition for IP suppliers requiring tremendous financial and human capital commitments. Only successful IP providers will be able to make such investments.”
為一些市場準備核心需要付出很多努力。
“例如，如果RISC-V想在汽車等領域取得成功，那麼它必須取得商業上的成功，而不僅僅是一個感覺良好的故事，” Codasip營銷副總裁Chris Jones說。“ ISO 26262對於還需要鉅額資金和人力資本承諾的IP供應商來說，是一個昂貴的主嘗試，因為只有成功的IP提供商才會進行此類投資。”
軟體生態系統
長期（Long-term）的成功將取決於強大的軟體生態系統。
“儘管RISC-V的生態系統尚未像Arm一樣完善，但它可能已經超過了其他第三方處理器IP，” 西門子事業部Mentor營銷總監Neil Hand表示：“這主要是因為很多倍受矚目的公司開始關注該標準，並轉移到這個平臺上來。“
The move has a good economic foundation. “The maintenance of processors and tool chains has become cost-prohibitive to most, thus an attractive candidate to outsource,” adds Jones. “However, outsourcing to traditional legacy processor suppliers is also an expensive proposition. These economic factors are contributing to the rise of RISC-V and to the success of companies that offer tools to support and maintain processor architectures.”
此舉具有良好的經濟基礎。
“處理器和工具鏈的維護對大多數人而言成本過高，因此這是一個有吸引力的外包（outsource）候選人，”瓊斯補充說。“然而，外包給傳統的處理器供應商也是一個昂貴的方式。正式在這些經濟因素的推動下，促成了RISC-V的興起，以及提供支援和維護處理器架構工具公司的成功。”
Speers說：“許多大型公司的表現相當不錯。”“Linux已經被推廣，但它還需要做兩件事。一個是LLVM編譯器，第二個是Java虛擬機器。我們在作業系統方面取得了很好的進展，當中包括了RTOS支援。除錯生態系統也執行良好。IP生態系統的賣家包括具有除錯/跟蹤功能的UltraSoC公司，他們正在開發合作伙伴關係。市場表現也相當的。”
EDA行業也開始有所迴應。
“我希望RISC-V生態系統能夠超越IP，” OneSpin Solutions的技術營銷顧問Tom Anderson說。“眾多實施為EDA供應商提供了機會和使用者。這是一個全新的ISA，對正式驗證針ISA的實現已經有相當大的興趣。我希望EDA供應商能夠提供驗證IP（VIP）和正式應用，以幫助使用者驗證他們的RISC-V設計。”
“從學術研究到商業應用的轉變需要一個跨越鴻溝式的飛躍，” Breker Verification Systems首席營銷官Dave Kelf指出。“要素是必需的，例如廣泛的合規能力和商業級工具，這些都將到來。商業公司推動強大的生態系統需要良性迴圈，這反過來又說服其他公司啟動專案。“
結論
摩爾定律越來的逐漸失效正在影響半導體行業的許多方面。RISC-V的出現，表明該行業願意尋找替代品。正如大多數業內人士所證實的那樣，這顯然和往常不一樣。
雖然宣佈RISC-V取得成功可能為時尚早，但我們正在很穩當地向這個目標前進。引用丘吉爾的話 —— “現在這不是結束。這甚至還沒開始結尾。但它可能是開始的結束。”
接下來的兩年將會令人興奮。Jones預測，“2019年，您將看到RISC-V和以前的處理一樣，在更多的應用領域取得重大的成功。”