RISC-V對晶元產業究竟意味著什麼？

科技 06-20

RISC-V是加州大學伯克利分校主導的開源處理器指令集，基於該指令集用戶可以免費開發自己的處理器。基於開源指令集這樣一個新穎的概念，RISC-V被業界認為會給半導體行業帶來一陣新風，同時也出現了眾多基於RISC-V的初創公司。最近，RISC-V業界的兩件大事，一件是RISC-V生態的領頭羊初創公司SiFive又獲得了一筆數千萬美元的融資，其中高通也參與了戰略投資；另一件與中國關係較大，即RISC-V的主要開創者，同時也是計算機架構領域的宗師級人物David Patterson在深圳的清華-伯克利深圳學院開設了RISC-V國際開源實驗室（RIOS），加速RISC-V在中國的落地。RISC-V最近勢頭正熱，那麼到底將會對半導體業界帶來多大影響呢？

RISC-V的願景

RISC-V選擇開源的道路，目標就是讓晶元設計更平民化，降低晶元設計的門檻，從而讓更多的人和公司能擁有自己的晶元。

大家知道，晶元設計的門檻在於時間和金錢兩方面。隨著晶元設計規模越來越大，需要越來越大的設計團隊以及越來越長的設計流程，這其中的成本可謂是水漲船高，因此如果不能克服成本問題則能自研晶元的公司數量會越來越少，從而對於半導體行業的生態造成不利的影響。SoC的上一次設計方法革命就是以ARM為代表的處理器IP授權業務，因為處理器往往是SoC中最複雜的部分從而也是需要最多研發成本的部分，而ARM通過IP授權的方式大大降低了SoC設計門檻，從而活躍了半導體生態。然而，隨著時間的發展，ARM的處理器IP授權模式卻又慢慢難以跟上近年來興起的異構計算的需求，這也是RISC-V興起的基礎。

那麼，RISC-V如何迎合了異構計算的需求呢？異構計算出現的背景是半導體製造工藝的摩爾定律遇到瓶頸，先進工藝製造成本快速上升但是在性能上卻無法帶來很大提升。在這樣的背景下，通用化的晶元通過摩爾定律提升性能的速度變得很慢，而系統廠商也無法再指望使用一款通用晶元平台來滿足不同應用場景的需求，而必須針對不同的場景使用專用的定製化晶元，這也就是異構計算的範式。所以，我們看到越來越多的系統集成商，包括谷歌、亞馬遜、阿里巴巴這樣的互聯網巨頭都在脫離Intel這樣的通用CPU平台，而是進行自研晶元以滿足目標場景的需求。可見，在異構計算時代，對於晶元產生了新的需求，同時也有更多公司在進入晶元行業。異構計算時代，晶元行業的新興力量對於晶元設計的需求基本可以概括為以下幾點：

（1）速度要快，系統廠商尤其是互聯網公司難以通常晶元公司三到五年的積累期，而是希望使用一些敏捷化設計的方法來加速晶元設計周期；

（2）成本要低，因為定製化晶元的出貨量肯定比不過通用晶元，因此設計成本不能過高；

（3）要能量身定製，這一條其實也是異構計算的核心訴求，即以專用化的設計來提升性能以彌補半導體工藝發展的停滯不前。

RISC-V生態完美符合這三點要求：RISC-V的開源特性一方面大大降低了成本，因為可以免費使用指令集；另一方面允許任何用戶自由修改，從而能滿足量身定製的需求。此外，RISC-V生態與Chisel為代表的敏捷設計方法論同處一支，雙方深度綁定，從而使用RISC-V往往也能享受到敏捷設計的速度優勢。反之，ARM的收費商業模式在成本上與RISC-V相比就有很大的劣勢；此外，ARM核在可定製化方面也是大大落後於RISC-V：一方面，ARM指令集設計時間較早，在設計之初對於可擴展性的設計不夠完美，而且經過多代設計後背上了歷史包袱指令集已經非常複雜，因此技術上難以做定製；此外ARM的授權方式也不鼓勵定製化，其架構授權模式雖然允許一定的定製化但是收費極其高昂只有華為等少數大型廠商才有實力使用。

可見，RISC-V的初衷就是迎合異構計算時代對於晶元的三個新需求，讓晶元設計門檻降低從而讓更多人能參與到晶元設計中來，最終完成對於半導體生態的革新。RISC-V領域最鼎鼎有名的初創公司SiFive可謂是非常好地貫徹了RISC-V的精神。在成本上，SiFive推出了多款性能上能與ARM對標的低價處理器核IP以及晶元；在敏捷化設計和可定製方面，SiFive為客戶提供針對場景量身定製的晶元，且在交付速度上遠勝傳統晶元設計公司。SiFive曾舉過一個客戶案例，該客戶是一家房地產公司，需要為其智能攝像頭定製晶元，而SiFive在三個月內就完成晶元設計交付，從而為該公司節省了許多成本。在這個案例中，SiFive完全滿足了異構計算時代對於晶元的三個需求（低成本，快速設計，定製化），從而大大降低了晶元設計門檻，讓房地產公司這樣的非高科技公司也可以有自己的定製化晶元。

RISC-V對晶元產業究竟意味著什麼？

SiFive的敏捷化設計流程能幫助用戶大大節省設計交付時間，從而降低晶元設計門檻

RISC-V主要市場在哪裡？

RISC-V大大降低了晶元門檻，讓更多人有能力定製處理器晶元，可謂是ARM之後的又一次生態更新。最初，處理器設計是少數人的遊戲，就像滿漢全席一樣，只有Intel這樣的少數幾家巨頭才能做；隨著ARM的IP授權生態鋪開，把做包含處理器的SoC的工程量降低到了出門吃火鍋的水準，更多人出門打個車就能夠吃到；而RISC-V則是把處理器的工程難度降低到了叫外賣的水準，一般人動動手指就能送到家裡，從而讓晶元設計真正能普及到所有人。

然而，RISC-V在把處理器設計普及到像叫外賣一樣的時候，從另一個角度也局限了自己的市場。還是以吃飯為例，我們去吃火鍋的時候可以吃到上百元一份的雪花牛肉，但是如果打開外賣APP卻不可能吃到這樣較高端的菜。這並不是因為做外賣的餐廳技術實力不夠（事實上，肯德基的供應鏈管理、廚房設計、食譜設計水準遠超一般的火鍋店），而是因為高端食物並非外賣服務受眾群體的首要需求，因此做外賣的餐廳出於經濟的考量不會去做這樣的高端食物。同樣地，RISC-V受眾的主要需求集中在MCU以及簡單的處理器，這也是我們目前看到RISC-V的主要市場，即IoT這樣低成本晶元的主處理器，或者是其他中高端SoC中的控制核（這樣的SoC的典型搭配是跑OS和高需求應用程序的主處理器仍然使用ARM，而對於性能基本沒需求的協同控制器出於成本和定製需求使用RISC-V，即ARM+RISC-V方案）。RISC-V架構優美，基於RISC-V架構完全有能力去做高性能處理器，但是經濟的驅動力卻有可能讓RISC-V最終難以進入高端市場。因此，如何進入高端市場並站穩腳跟將是對於RISC-V的一個很大挑戰。

RISC-V對晶元產業究竟意味著什麼？

學術界已經有基於RISC-V架構的511核處理器（Celerity），RISC-V如何進入高端市場的難點主要來自市場而非技術

對於SiFive這樣的RISC-V初創公司來說，目前巨大的IoT市場已經足夠創造收入，但是SiFive的野心絕不僅僅在於銷售晶元或IP，而是希望構建新的生態並成為主導者。這有一點像谷歌的安卓系統，雖然安卓本身幾乎不收費，但是其生態的價值是巨大的，谷歌也因此獲得了巨大的回報。只是這樣的生態型戰略需要足夠現金的支持，這一點對於谷歌這樣的大公司來說不成問題，但是對於SiFive這樣的初創公司來說就存在一定的風險，前期需要靠燒錢來支撐生態建設，而獲取生態帶來的回報則可能要等到數年之後。因此我們看到了SiFive在近幾年內的大手筆融資，去年四月完成了5000萬美元的Series-C融資，而今年六月則完成了6000萬美元的Series-D融資，這樣短時間內的大筆融資對於半導體初創公司來說並不常見，而對於SiFive這樣需要靠大量前期投入的生態型公司來說卻實屬正常。在投資者中我們看到了Intel、高通、三星這樣的傳統半導體公司，也有華米這樣的IoT系統廠商，這些公司的戰略注資也體現了他們對於半導體新生態的樂觀態度。

RISC-V與中國的聯姻：價值在於高端核

處理器晶元對於中國具有重要的戰略價值。從商業角度看，中國半導體業規模已經全球領先，而缺少核心處理器指令集已經成為中國半導體行業進一步向上突破的重要瓶頸。如前所述，ARM提供的處理器IP核雖然能滿足一般的應用需求，但是其技術和商業模式都讓基於ARM IP的定製化變得非常困難，一方面不滿足異構計算定製化的趨勢，另一方面也無法為中國自研定製化處理器帶來很大幫助。

RISC-V倡導的開源指令集恰能滿足中國對於核心指令集的需求，有希望能幫助中國廠商快速設計出包含自主知識產權的定製化處理器核。在異構計算成為風潮，同時國家自主產權也得到很大關注的今天，RISC-V在中國得到極大的重視也是一件非常自然的事。中國RISC-V領域也已經有一批優秀的初創公司，例如專註於超低功耗的芯來科技，以及結合RISC-V和AI的睿思芯科。睿思芯科的創始人譚章熹正是RISC-V生態領頭人David Patterson教授的學生，而此次David Patterson在深圳設立RIOS也是由譚章熹擔任副主任，加速RISC-V生態在中國的產業化落地。

RISC-V對晶元產業究竟意味著什麼？

然而，RISC-V也並非能完全解決中國自主知識產權處理器的問題。RISC-V的核心是指令集，而指令集只是處理器的基礎，建立在指令集之上的處理器體系架構設計對於處理器來說也是至關重要，尤其是對於高性能處理器核來說更是如此。因此，我國的高性能處理器核即使能解決指令集問題，也是任重而道遠。這其實也回到了之前討論的RISC-V的市場定位問題：目前基於RISC-V指令集由於經濟規律主要商業應用集中在中低端市場；RISC-V做高性能處理器這件事在學術界得到了驗證，但是在商業市場上還沒有得到認可，這同時也成為了RISC-V的一個瓶頸。如果中國能藉助其特殊的市場形態做出基於RISC-V的高性能晶元並在市場上得到真正應用，那麼這無論對於中國還是RISC-V來說都是一個重要的突破。

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