RISC-V带给中国CPU和芯片行业生长的历史性机缘

2018-08-10编辑:冀凯 要害字:RISC-V

微处置惩罚器指令集架构(Instruction Set Architecture,ISA)是相同软硬件运算之间的桥梁,是处置惩罚器的灵魂。包罗庞大指令集运算(Complex Instruction Set Computing,CISC)、精简指令集运算(Reduced Instruction Set Computing,RISC)、显式并行指令集运算(Explicitly Parallel Instruction Computing,EPIC)、超长指令字指令集运算(Very Long Instruction Word,VLIW)四类。

由于ARM(RISC架构)和Intel(CISC架构)两大巨头的垄断职位、专利限制、高昂专利费,令行业用户越来越不堪重负;两大主流架构无论在技术上、知识产权上照旧流程上都愈发臃肿、庞大缓和慢,也在一定水平上限制甚至阻碍了技术的进步和行业的生长。

 

主流的微处置惩罚器指令集架构RISC和CISC的对比


6月底arm建设了riscv-basics.com 的网站,以“设计系统芯片之前需要考虑的五件事”为主题从从成本、生态系统、碎片化风险、宁静性和设计保证方面攻击RISC-V 攻击。不外RISC-V在7月9日也建设了arm-basics.com 的网站对arm进行还击。越日,也就是7月10日,arm关闭了攻击网站,并发表声明:“我们最初建设网页的目的是列出围绕RISC-V商业化产物需要考虑的要害因素,旨在为猛烈的行业辩说提供信息。遗憾的是,结果与我们的初衷差异,这个页面与arm的协作文化纷歧致,所以我们已经将其删除。事实上,我们的许多员工也体现不喜欢这个网页。立即删除这个网页的是因为我们绝不希望给人一种攻击开源的印象,因为我们也是许多差异领域开源社区的支持者。”

arm与RISC-V的事件只是两个精简指令集竞争的一个缩影。顾名思义,RISC-V是RISC的第五个版本。RISC-V何以会引得arm如此紧张呢?

David Patterson教授和RISC指令集
David Andrew Patterson(1947年11月16日出生)是美国盘算机先驱和学者,是美国科学院、工程院、艺术与科学学院三院院士。自1976年以来一直担任加州大学伯克利分校盘算机科学教授,并在2016年退休后加入谷歌。他目前照旧RISC-V基金会的董事会副主席。

 


Patterson以其对RISC处置惩罚器设计的开创性孝敬而闻名,缔造了RISC这一术语,并领导了Berkeley RISC项目。截至2018年,全球有99%的新芯片使用RISC架构。他还与Randy Katz一起领导RAID存储研究。

Patterson教授因在RISC领域的杰出成就,获得2017年度图灵奖(图灵奖是盘算机领域的全球最高奖项,被誉为盘算机界的诺贝尔奖)。

我们照旧了解一下RISC指令集的情况。RISC的生长可以追溯到1980年代。David Patterson教授是RISC指令集的发现人。1980年,他和学生David Ditzel在“The case for the reducedinstruction set computer”论文中缔造了RISC一词。

1981年,在David Patterson的领导下,加州大学伯克利分校的一个研究团队起草了RISC-1,这就是今天RISC架构的基础。RISC-1原型芯片有44500个晶体管,拥有31条指令。包罗78个32位寄存器,分为6个窗口,每个窗口包罗14个寄存器,另外另有18个全局变量,寄存器占用大部门面积,控制和指令只占用芯片面积的6%,而同时代的芯片设计里要占用约50%的面积。

随后在1983年宣布了RISC-II原型芯片,包罗138个寄存器,分为8个窗口,每个窗口有16个寄存器,另外另有10个全局变量,但是只有39000个晶体管。接着在1984年和1988年宣布了RISC-III和RISC-IV。

而RISC的设计理念也催生了一系列新架构,包罗了许多我们耳熟能详的名字,如学术上认为比力乐成的DEC Alpha、被写入经典教科书的MIPS、绕过指令级并行度障碍,追求线程级并行的SUN SPARC、服务器的王者IBM Power、以及现在统治嵌入式市场的arm。

RISC-V的攻击
2010年,Patterson教授的研究团队准备启动一个新项目,需要设计CPU,因而要选择一种指令集。他们调研了包罗arm、MIPS、SPARC、X86等多个指令集,发现它们不仅设计越来越庞大,而且还存在知识产权问题。

由于ARM、MIPS、SPARC、X86等处置惩罚器架构的庞大性和相关知识产权的限制,Patterson教授决定和团队一起发现一种全新的指令集架构,可以被任何学术机构或商业组织自由使用。

于是临时组建一个四人小组,从零开始设计一套全新的指令,四人小组包罗David Patterson、Krste Asanovic两位教授与Andrew Waterman、Yunsup Lee两个博士生集!

这个项目的目标是新指令集能满足从微控制器到超级盘算机等种种尺寸的处置惩罚器,能支持从FPGA到ASIC到未来器件等种种实现,能高效地实现种种微结构,能支持大量的定制与加速功效,能和现有软件栈与编程语言很好的适配,最重要的一点就是要稳定——不会改变,不会消失。

四人小组用了3个月时间完成了RISC-V指令集的初始设计开发,之后于2011年5月第一次果真尺度。2014年,RISC-V的第一批尺度定型。其间,随着尺度的宣布和革新,进行了多次流片验证。

RISC-V(第五代精简指令集)是David Patterson教授基于其30多年在精简指令集RISC领域的深入积累,在2010年到2014年期间领导团队研发出的最新一代CPU芯片设计指令集。RISC-V是基于精简指令集盘算(RISC)原理建设的开放指令集架构(ISA),RISC-V是在指令集不停生长和成熟的基础上建设的全新指令。RISC-V指令集完全开源、设计简朴、易于移植Linix系统,接纳模块化设计,拥有完整工具链。

RISC-V虽然不是第一个开源的的指令集(ISA),但它很重要,因为这是第一个被设计成可以凭据具体场景可以选择适合的指令集的指令集架构。基于RISC-V指令集架构可以设计服务器CPU,家用电器CPU,工控CPU和传感器CPU。

作为一个开源的指令集架构,RISC-V让用户有时机制止Intel x86知识产权体系的锁定和ARM高昂的芯片特许使用费,这使得全球芯片行业的企业都对RISC-V报以极大的关注和兴趣。

Patterson教授和团队于2015年建设了RISC-V基金会以推动RISC-V架构的运用和生长。
 

 

基金会吸引了全世界150多家企业和科研机构的加入,包罗Google、IBM、三星、高通、西部数据、英伟达、微软、惠普等国际巨头,也包罗中天微、中兴微、华为、阿里、中科院盘算所、高云等下多家中国单会员,形成了RISC-V生态圈。

目前已经获得了众多业界巨头的支持,例如英伟达体现在配合GPU使用的底层微控制器中使用RISC-V设计;西部数据宣布未来几年将用RISC-V芯片取代其目前使用的全部处置惩罚器芯片;美高森美宣布全球第一个支持RISC-V开放指令团体系架构;特斯拉近期已加入RISC-V基金会,准备在新款芯片中使用RISC-V架构。

业界人士体现,众多巨头宣布接纳RISC-V,得益于RISC-V的五大优势:
1、极简。RISC-V凭借技术上的后发优势,拥有精简的篇幅长度,比起冗长、指令繁多、互不兼容的传统商业架构,优势十明白显。

2、洁净。RISC-V清晰区分了用户和特权指令子集,制止了对特殊微架构和特殊工艺的要求,因此具有普适性,可显著降低成本。

3、模块化。RISC-V的指令分为焦点基础指令集和尺度可扩展指令子集。基础指令集很小,但是可以凭据用户需求去加载扩展集,后者确保了指令能够应用于差异场景。

4、可扩展。充实考虑了芯片设计的可扩展性和专用性需求,具有变长指令编码,并预留了大量的可用编码空间,使得未来指令扩展方便可行。

5、稳定。经过若干年的迭代,基准指令和一些尺度可扩展指令已经确定,新功效的实现只需增加扩展子集,而无需宣布整个指令集的新版本。

由于RISC-V使用BSD License开源协议,指令集彻底开放,给予使用者很大自由,允许使用者修改和重新宣布开源代码,也允许基于开源代码开发商业软件宣布和销售。这样吸引了一批创业公司的进入。RISC-V最初的开发者之一Krste Asanovic教授开办SiFive推出全球首款基于开源指令集RISC-V架构的商用SoC Freedom E310-G000和开发板HiFive1;Patterson的门生谭章熹建设OURS,基于RISC-V架构开发物联网处置惩罚器和神经网络加速系统级芯片;法国Greenwave 正使用RISC-V架构为低功耗设备开发人工智能芯片;Esperanto也瞄准人工智能应用,希望能集成4000个RISC-V处置惩罚器,展开并行盘算。

据业界人士体现,由于ARM高昂的芯片特许使用费,正在逐渐把谷歌(Google)、高通(Qualcomm)、三星(Samsung)等众多高科技公司推到了同一条战线上。巨头们正在试图开发新的开源芯片设计,为智能驾驶、AI等新兴技术提供一种成本更低的芯片。
 

 


RISC-V带给中国CPU和芯片行业生长的历史性机缘
面对汹涌而至的RISC-V,有业界人士体现,RISC-V技术已往若干年的泛起和生长,为中国芯片行业的生长提供了历史性机缘。中国已往数十年在芯片生长领域遭遇到了知识产权受限、生态体系缺失、研发成本高昂、市场需求庞大等诸多挑战,使得生长成效总是不尽人意、难以突破。RISC-V技术的泛起,为突破上述四个方面的难关,提供了坚实的技术基础和绝佳的生长时机。

第一,开源开放突破知识产权壁垒。RISC-V的开源特性将有助于中国突破恒久以来处置惩罚器芯片领域的知识产权限制。在已往几十年时间里,中国一直努力在芯片领域、尤其是庞大处置惩罚器芯片领域巨额投入、谋求突破,然而收效甚微。

究其原因,首先就是外洋诸如Intel、ARM等巨头经过几十年的技术生长,建设了极为严苛的知识产权掩护体系。我中国如果使用现有的x86或ARM技术,就无法绕过其知识产权限制。从Intel手上基础不行能获得x86授权。ARM虽然给出授权的公司多一些,但授权费也异常昂贵,且谈判流程极其庞大冗长,亟待生长的小微初创企业基础无法蒙受。

其次,Intel、ARM这些巨头公司也不行能对中国企事业单元授权其最焦点的芯片设计技术和知识产权,而是以此控制中国技术生长、阻碍中国科研体系进步。而RISC-V接纳了最为灵活的BSD开源协议,将RISC-V彻底开放,BSD开源协议极其适合中国国情,与中国秉持的开放共享、互利共赢的生长理念完美贴合,使中国相关行业能够从基础上规避国际传统芯片巨头树立的知识产权壁垒、高昂的特许使用费乃至政治因素带来的风险,更能有助于相关行业工业化的蓬勃生长。

第二,流片验证确保体系完整。RISC-V指令集已经经过了全球规模内多次流片验证,确保了芯片从设计、样片到量产全体系的完整有效。

众所周知,芯片研制除了指令集作为焦点技术之一,还需要一个庞大而庞大的生态,涉及上下游软硬件的诸多环节。指令集除了具备卓越的技术特点,还需要能够制定统一的尺度规范,由生态系统中的企业一致遵守;更需要足够开放包容、面向足够广的市场,令生态中的加入者能通过对接富厚的客户资源获得经济效益。

中国在历史上也曾实验研发完全自主的指令集,然而未能乐成实现。究其原因,除了科研实力尚不成熟,更主要的原因就是局限于一国之中的指令集,无法吸引上下游企业的协同加入,无法推动整个生态的积极生长,从而失去了生存的基本。

而RISC-V指令集在已往几年的生长中,已经经历了上百次差异商业公司和研发机构的流片验证,已经证明生态具备完整支持的能力。此外,RISC-V基金会中Google、三星、高通等等国际大型公司的加入,也使其生态体系不停成熟壮大。接纳RISC-V技术,将使得中国能够专注于处置惩罚器技术的生长,而无需担忧生态体系的完整有效。

第三,精简指令降低研发成本。RISC-V极为精简的技术优势能够大大降低芯片研发周期和研发成本。

x86与ARM架构的生长历程陪同了现代处置惩罚器架构技术已往几十年的不停生长成熟。作为商业企业,为了能够保持架构的向后兼容性,架构不得不保留许多过时的界说,导致其指令数目多,指令冗余严重,文档数量庞大,x86和ARM的架构文档都有上千页。所以在这些架构上开发新的操作系统或者直接开发应用,技术门槛很高,研发历程庞大,往往需要经过重复验证修改才气成型,极大增加了研发周期和成本。

相比之下,RISC-V架构作为2014年才定型的最新尺度技术,完全没有历史肩负,而是能够从过往种种指令集的生长演变历史中罗致了大量经验教训,借助盘算机体系结构经过多年的生长已经成为比力成熟技术的优势,从轻上路。RISC-V基础指令集则只有40多条,加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。 RISC-V的规范文档仅有145页,而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。

这意味着使用RISC-V架构进行芯片设计的工程师们能更容易上手、更快进行开发验证,大为缩短芯片的研发周期、降低成本。在中国,各个行业和领域都对芯片有着大量的需求,唯有成本更低、迭代更快的RISC-V技术才气满足这些需求、支撑中国芯片工业的快速生长。

第四,扩展模块满足差异应用场景需求。由于RISC-V具有与众差异的模块化架构,能够灵活搭配,可以满足种种应用场景对处置惩罚器芯片的差异要求。

RISC-V架构相比其他成熟的商业架构的一个最大差异,在于它是一个模块化的架构。其差异模块能以很是灵活多变的方式组织在一起,从而可以通过一套统一的架构满足种种差异的应用。

这种模块化特性是传统的x86与ARM架构不具备的。例如,ARM的架构分为A、R和M三个系列,划分针对于应用操作系统(Application)、实时(Real-Time)和嵌入式(Embedded)三个领域,相互之间并不兼容。在泛起交织领域的庞大应用时,这样的不兼容性会增加开发事情量,并降低芯片和系统的性能。

相比之下,模块化的RISC-V架构能够使得用户凭据具体场景需求灵活选择差异的模块组合,既可以实现低功耗小面积的数据收罗功效,又能够实现高性能运算量大的应用操作系统场景,更能保证差异场景配合部门的相互兼容。

这意味着,针对中国目前庞大庞大的差异芯片应用需求,在物联网、云盘算、人工智能、大数据、辅助及自动驾驶等诸多定制化的工业、民用等领域,RISC-V都能够提供灵活高效而且相互兼容的解决方案。

第五,界说宁静自主可控芯片。因RISC-V的扩充弹性优势,中国有时机界说自已的宁静和其他扩充指令集。

中国在最近一二十年随着亿博娱乐平台工业的生长,特别是种种CPU项目的开展,积累了具有CPU设计和实现能力的人材。如可顺势推动RISC-V这个快速生长的开放指令集和这些人才有机相结合,可将原有大量的人材和经验积累投注到工业上落地,发生良性循环,加速中国亿博娱乐平台工业生长。

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要害字:RISC-V

来源: 芯思想 引用地址:/qrs/2018/ic-news081050496.html
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