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RISC-V:不仅仅是个核心

2018-10-21
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来源:本文由 公众号 半导体行业观察(ID:icbank)翻译「semiengineering」,作者 BRIAN BAILEY,谢谢。

 

芯片制造商对开源ISA的兴趣标志着的一个的重大转变,但它还需要持续的行业支持才能取得成功。 


过去几年,开源指令集架构(ISA)RISC-V吸引了半导体行业的大量关注,但其未来的成功与否将取决于半导体行业的合作水平。现在它面对的最大问题是该行业对RISC-V成功的承诺。


RISC-V带来的真正价值在于生态系统的承诺以及行业内专家共同致力于ISA未来的机会。这个生态系统现在看来可能还不存在,但在其未来的路线图中,它确实存在。RISC-V将像摩尔定律路线图一样,推动制造技术超过半个世纪 。


现在,过往的摩尔定律的路线图正在逐渐脱离轨道,这就是整个行业都出现了如此多架构创新的原因。


在最近的Hot Chips 30大会上,展示了数十种新的芯片架构,包括当中包括了多处理器(multiple processors),新内存配置和不同的封装方法。正如HP Labs的研究科学家R. Stanley Williams最近观察到的那样,“自摩尔定律开始以来,摩尔定律的终结可能是计算领域中发生的最好的事情。因为一个时代的结束,会推动一个新的创造时代的产生。”


RISC-V的最大好处之一就是它的架构是开源的。“有了RISC-V,通过协作在硬件中产生的任何创新都将创造巨大的经济效益”, Microsemi可编程解决方案业务部产品架构和规划主管Ted Speers说。“但是谁能获得奖励,或者奖励是什么样的回报,仍然需要弄明白”,他接着说。


图1.最近节点的设计成本。资料来源:Handel Jones,IBS


这不仅仅是为了便宜。“License费用只是前沿SoC设计成本的一小部分,”Linley Group的首席分析师Linley Gwennap说。“架构和IP加起来不到设计成本的15%。而在这15%中,CPU成本只占很小的一部分。为什么有人会花费数亿美元来节省100万美元呢?”


目前,Gwennap可以指出RISC-V许多不如其他竞争架构的地方。尽管如此,整个生态系统中的公司仍然采用这个没有经过太多证明的核心。


这些“尝鲜者”正在关注长期情况。


“如果只看到RISC-V的实施和技术,或者单纯将其与其他竞争对手进行点对点的对比,这是一个很大的错误”,SiFive的联合创始人兼首席架构师和RISC-V基金会的Krste Asanovic说道。“这不是人们跳到RISC-V的原因。人们只是看到了未来的发展方向,可以从这里看到方向。”


这样说的话,为什么那些人愿意当第一个吃螃蟹的人么?“你这是在为未来选择自由”,Asanovic补充说。“早期的尝鲜者是不希望以任何方式被锁定,他们准备摆脱目前的状态。


这个说法似乎引起了共鸣。


“由于成本和复杂性的提高,定制芯片在过去10年中一直处于低迷的状态”,Imperas营销副总裁Kevin McDermott表示。“但如人工智能和物联网等新市场已经创造了巨大的潜力,这些设备的要求指向了定制芯片,那就意味着定制芯片的需求重新被摆到桌面上来。”


正确的目标


目前看来,正在开发的RISC-V架构在生态系统依然存在局限性。Rambus首席技术官Martin Scott表示,“最好的解决方案并不需要对大量的遗留应用程序向后兼容和做到运行一致性”,“你越接近边缘,越想控制安全属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应用,这就是RISC-V真正有趣的地方。”


它不仅仅是一个单一的产品。“人们希望在他们的产品中建立标准的软件基础,” Asanovic补充道。“对于其他供应商来说,他们的核心可能在一个领域或多个领域中都表现很好,但最终你都会为每个应用程序挑选一个不同的核心。”


这就是Arm、Intel和Synopsys(ARC)以及Cadence(Tensilica)等厂商过去表现良好的原因之一。它们提供了大量必要的基础设施和生态系统支持,当中包括了与所有主要代工厂建立了深厚的合作关系以及大量的制造流程认证。


“替代方案是从一个相当封闭的生态系统中拿出一个非常大的架构授权,”Scott指出。


Microsemi的Speers也同意这个观点。“许多使用RISC-V的公司最初的起点都是在较大型SoC中选择控制核心作为小型实现。人们从小规模尝试开始,构建属于他们自己的生态系统,这个可以根据他们的SoC的不同方面进行定制。”Speers补充说。


这与SiFive所看到的也符合。


“我们一般要求微芯片的时钟比较快,但大芯片则没有那么高的运行速度要求,Asanovic说。“市场对这种灵活性的需求也正在提升,但没有一家供应商可以提供所有这些。因为没有人想只是为了满足在某些产品中拥有不同形状核心的要求而重建他们的软件堆栈。他们想要一个统一的软件,并在此之上构建各种各样的可用实践。”


业务模型


这意味着不同的业务模型。


“旧的模式是你选择核心供应商,你得到他们的ISA,”Asanovic说。“新模型是:我选择RISC-V然后我选择供应商。我可以在每个产品的不同的芯片上使用不同供应商的核心,我甚至可以建立自己的核心。我也可以使用开源核心或商业支持的核心。“


这就显著提高了设计的灵活性,这与目前最先进的工艺节点处的设计因为晶体管缩放带来的越来越严格的设计规则形成鲜明对比。


Rambus Scott表示:“这是一种柔韧性和灵活性,在架构周围也具有很大的透明度,在这些地方你很可能会做出一些你过去不会做的事情,或者以高度差异化的方式做事。”“这是一种从原子水平开始,并以正确的方式做到的能力,而不是别人为你决定。”


这种级别的灵活性在过去并不存在。


“他们很聪明,因为他们让ISA开源,而不是微架构,” Speers断言。“之前有一个叫做open core 32的开源项目,那是欧洲一个充满活力的开源硬件集团。但他们开放的是处理器的实现。而对于RISC-V,它开放的是指令集,你可以使用它来实现从最小的IoT设备芯片到服务器级处理器的任何级别的IC。RISC-V不但有开源IP,还有商业IP的专有实现,但毫无疑问,它们将拥有与过去IP供应商不同的商业模式。“


这正是RISC-V让工程师们兴奋的原因之一。


“围绕RISC-V开展的一些活动正在赋予其这种独立感,” McDermot说。“我现在可以投资一些我认为很好的解决方案。因为其合规性和兼容性,我也可以选择在其他地方重复利用这项投资。”


合作


然而,新的RISC-V架构要求产业界以过去从未见过的水平进行合作。行业内部以及产业界和学术界之间必须紧密合作,才能推动RISC-V继续前进。Asanovic的第三个身份——加州大学伯克利分校教授就是这种要求的重要证明。


“RISC-V来自学术界,在这个领域使用产业界ISA制造芯片一直是不可能的,因为他们太复杂了,还被IP所束缚,你无法与他人分享你的工作。而在学术界,你可以建立在别人的基础上。所以我们创建了RISC-V来实现我们想要进行的研究,再然后它就被业界采用了。


现在,工业界发生的事情正在被反馈到学术界:软件被移植,分发可用,大学研究小组可以使用这个ISA,他们也可以使用商业支持的完整堆栈软件来进行修改。


大学发展正在良性循环:部署在工业界、行业内发现的问题,正在被送回学术界解决,然后他们可以立即重新使用。“


而事实上,我们也的确发现了一些问题。


“普林斯顿大学的研究人员做了一些工作,可以证明虽然RISC-V内存一致性模型中(memory consistency model)没有错误,但在堆栈中补上其缺失的一部分可以以使其坚如磐石,”Speers说。“因为有研究人员正在研究RISC-V,并且因为它完全开放,所以它开发了一个非常强大的内存一致性模型。这是每个人现在都能从中受益的东西。”


这也使大学毕业生与招聘公司更加相关。


McDermott指出:“各组之间的技术交流更加紧密,学术界多年来也一直在教授诸如新型架构等主题。”“学生可以提供最先进,相关和有用的东西。每个毕业生想要做的就是带上他们的一些证书参加面试,证明他们是一位有实际经验的雇员。以上是前景的融合,对我们的行业来说大有裨益。”


这也促进了行业内的合作。Scott表示:“竞争对手比以往更加团结”,“在文化方面,我倍受鼓舞,它激发了我很久没见过的合作和兴奋。但这并不能保证有良好的效果。我们也看到人们从学术界的木制品(woodwork )中走出来,因为RISC-V的存在,他们与那些有兴趣消费他们正在做的事情的人建立了联系。RISC-V正在产生一些弥合鸿沟的潜力,特别是在安全领域。“


固化(Hardening)硬件


然而,许多人需要的不仅仅是ISA。


“一张白纸是一项艰巨的任务,” McDermott说。“RISC-V的一个优点是,如果我可以给你90%的解决方案,并且你可以修改它,那么它就会让你“运转”起来,但你不需要重新发明轮子,因为你有一个基础设施和基础,你可以在它上面提供一些东西。”


但是,必须注意不要增加核心和额外的baggage。


“他有一个永远存在的、非常简单的核心,这将成为人们可以建立的稳定基础。”Asanovic解释说。“它是模块化的,所以你只需要包含你所需要的模块。但它的设计,让它可以通过多种方式进行扩展,当中包括了标准扩展,然后是项目可能添加的自定义扩展。”


扩展的数量将随着时间的推移而增长。


“RISC-V的成功促进了硬件项目中更多的开源协作,” ANSYS首席软件开发人员Allen Baker说。“Nvidia开源了他们的深度学习加速器,并将其集成到RISC-V SoC中。Bluespec的Piccolo核心已经向公众发布Western Digital承诺支持开源社区。除了标准CPU和SoC之外,向量指令(vector instruction)扩展正在推动GPU,神经网络和其他多核架构的开发。该标准的开放性和可扩展性使其几乎可以应用于任何应用程序。基本上,任何可编程组件都可以采用RISC-V,从不断增长的软件工具集中受益。”


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.”


为一些市场准备核心需要付出很多努力。


“例如,如果RISC-V想在汽车等领域取得成功,那么它必须取得商业上的成功,而不仅仅是一个感觉良好的故事,” Codasip营销副总裁Chris Jones说。“ ISO 26262对于还需要巨额资金和人力资本承诺的IP供应商来说,是一个昂贵的主尝试,因为只有成功的IP提供商才会进行此类投资。”


软件生态系统


长期(Long-term)的成功将取决于强大的软件生态系统。


“尽管RISC-V的生态系统尚未像Arm一样完善,但它可能已经超过了其他第三方处理器IP,” 西门子事业部Mentor营销总监Neil Hand表示:“这主要是因为很多倍受瞩目的公司开始关注该标准,并转移到这个平台上来。“


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.”


此举具有良好的经济基础。


“处理器和工具链的维护对大多数人而言成本过高,因此这是一个有吸引力的外包(outsource)候选人,”琼斯补充说。“然而,外包给传统的处理器供应商也是一个昂贵的方式。正式在这些经济因素的推动下,促成了RISC-V的兴起,以及提供支持和维护处理器架构工具公司的成功。”


Speers说:“许多大型公司的表现相当不错。”“Linux已经被推广,但它还需要做两件事。一个是LLVM编译器,第二个是Java虚拟机。我们在操作系统方面取得了很好的进展,当中包括了RTOS支持。调试生态系统也运行良好。IP生态系统的卖家包括具有调试/跟踪功能的UltraSoC公司,他们正在开发合作伙伴关系。市场表现也相当的。”


EDA行业也开始有所回应。


“我希望RISC-V生态系统能够超越IP,” OneSpin Solutions的技术营销顾问Tom Anderson说。“众多实施为EDA供应商提供了机会和用户。这是一个全新的ISA,对正式验证针ISA的实现已经有相当大的兴趣。我希望EDA供应商能够提供验证IP(VIP)和正式应用,以帮助用户验证他们的RISC-V设计。”


 “从学术研究到商业应用的转变需要一个跨越鸿沟式的飞跃,” Breker Verification Systems首席营销官Dave Kelf指出。“要素是必需的,例如广泛的合规能力和商业级工具,这些都将到来。商业公司推动强大的生态系统需要良性循环,这反过来又说服其他公司启动项目。“

 

结论


摩尔定律越来的逐渐失效正在影响半导体行业的许多方面。RISC-V的出现,表明该行业愿意寻找替代品。正如大多数业内人士所证实的那样,这显然和往常不一样。


虽然宣布RISC-V取得成功可能为时尚早,但我们正在很稳当地向这个目标前进。引用丘吉尔的话 —— “现在这不是结束。这甚至还没开始结尾。但它可能是开始的结束。”


接下来的两年将会令人兴奋。Jones预测,“2019年,您将看到RISC-V和以前的处理一样,在更多的应用领域取得重大的成功。”


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