RISC-V 處理器架構(gòu)的引入令人興奮是無可爭議的。然而，盡管許多人將其稱為更廣泛的開源硬件運(yùn)動的預(yù)兆，但其成功背后的原因并不明顯，而且對更多開源內(nèi)核擴(kuò)展的影響還遠(yuǎn)未確定。

RISC-V International 技術(shù)項(xiàng)目主管 Stephano Cetola 表示：“采用 RISC-V 作為許多芯片開發(fā)人員的首選架構(gòu)已經(jīng)在硬件開發(fā)社區(qū)掀起了一股創(chuàng)新浪潮。” “設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正在采用他們基于 RISC-V 的設(shè)計(jì)，并在各個行業(yè)中進(jìn)行實(shí)際實(shí)施。”

這并不是第一次將處理器實(shí)現(xiàn)或指令集架構(gòu)(ISA) 置于公共領(lǐng)域。業(yè)界到處都是它們，包括 OpenPOWER、OpenSPARC、OpenRISC 等等。雖然每個都獲得了一定程度的牽引力，但與 RISC-V 在很短的時(shí)間內(nèi)取得的成功相比，它們都顯得蒼白無力。

在與RISC-V社區(qū)的人們交談時(shí)，有兩個詞經(jīng)常重復(fù)——自由和自由。有些人想要免費(fèi)的內(nèi)核，而另一些人則想要自由地使用內(nèi)核做任何他們想做的事情。對這些人來說，免費(fèi)幾乎無關(guān)緊要，因?yàn)樗麄儠ê芏噱X來獲得他們想要的東西。

不斷變化的市場
RISC-V 的興起恰逢業(yè)內(nèi)其他一些事件。首先是摩爾定律的放緩，這意味著總處理能力的增加不再伴隨每個新的制造節(jié)點(diǎn)。第二個是機(jī)器學(xué)習(xí)的飛速發(fā)展，需要處理能力的大幅提升。那么這只是一個正確的地點(diǎn)，正確的時(shí)間問題嗎？

對處理器的看法發(fā)生了變化。“硬件設(shè)計(jì)過程社區(qū)對自由的要求推動了 RISC-V，” Imperas Software創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Simon Davidmann 說. “電子產(chǎn)品是由它們的功能定義的，其中很多是由運(yùn)行在處理器上的軟件定義的。今天，一切都需要某種形式的機(jī)器學(xué)習(xí)。不管我們是在談?wù)撃愕?a target="_blank">手機(jī)，拍出更好的照片，不管是什么，都需要大量的計(jì)算。人們意識到他們需要大量的處理器。他們需要自己的處理器結(jié)構(gòu)。您需要以您想要的方式配置它們。現(xiàn)成的技術(shù)對您沒有幫助。因此，電子產(chǎn)品市場發(fā)生了變化，“我們需要設(shè)計(jì)芯片的自由，以及設(shè)計(jì)處理器和這些芯片中處理器結(jié)構(gòu)的自由。”

其他人同意。Codasip高級營銷總監(jiān) Roddy Urquhart 表示：“隨著半導(dǎo)體縮放失敗，提高計(jì)算性能的唯一方法是專業(yè)化。 ” “開放式 RISC-V ISA 是模塊化的，支持自定義指令，使其成為創(chuàng)建各種專用處理器和加速器的理想 ISA”

所有這一切都需要在新一代系統(tǒng)公司進(jìn)入市場的背景下進(jìn)行審視，每家公司都有獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)理由。但這些系統(tǒng)公司確實(shí)有一個共同點(diǎn)，那就是他們不會試圖銷售他們開發(fā)的芯片。相反，他們銷售的服務(wù)在某種程度上是由這些產(chǎn)品推動的。他們無法從現(xiàn)有市場購買合適的產(chǎn)品，因此他們準(zhǔn)備自己開發(fā)芯片，同時(shí)通過貢獻(xiàn)和合作推動一些必要的創(chuàng)新。在這種情況下，RISC-V 發(fā)揮著重要作用。

RISC-V 的不同
之處在于 RISC-V 創(chuàng)造的突破是多個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域成功的原因都不同。要理解這一點(diǎn)，有必要將 RISC-V 成功的各個方面分開。首先是架構(gòu)本身。其次是大量可用的架構(gòu)開源實(shí)現(xiàn)。第三個領(lǐng)域是圍繞處理器內(nèi)核的支持內(nèi)核。最后，還有必要的工具來幫助實(shí)施和驗(yàn)證 RISC-V 處理器。

它最初是為了滿足特定需求而創(chuàng)建的。“它現(xiàn)在擁有大量資源，” Imperas 的 Davidmann 說。“最初，它來自大學(xué)、學(xué)者、大學(xué)里的聰明人，創(chuàng)造了一件好事。從位于硅谷中部的伯克利出來，它從人和前伯克利畢業(yè)生那里獲得了一些動力。Momentum 比 OpenRISC 構(gòu)建的要多得多。大學(xué)需要它，他們推動了它。”

RISC-V 現(xiàn)在是一個開放標(biāo)準(zhǔn)的 ISA，它被加州大學(xué)伯克利分校趕出，由一個行業(yè)非營利組織——RISC-V International 負(fù)責(zé)管理。許多大學(xué)都創(chuàng)建了開放核心，例如伯克利的 Rocket 核心、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院及其紙漿平臺等。今天，有許多行業(yè)協(xié)作組，將行業(yè)和學(xué)術(shù)界聚集在一起，構(gòu)建開源核心，并將它們提供給整個社區(qū)。示例包括 CHIPS 聯(lián)盟和 OpenHW 集團(tuán)。

許多國家制定了滿足當(dāng)?shù)匦枨蟮呐e措。印度有其 Shakti 計(jì)劃，被 IIT 馬德拉斯趕出。在以色列，GenPro 聯(lián)盟將工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聚集在一起。日本和中國也有其他類似的項(xiàng)目，他們正在將 RISC-V 核心構(gòu)建為開源，以便將它們提供給他們的社區(qū)并滿足他們的特定利益。

RISC-V 是第一個開放和可定制的 ISA。“目前，與 RISC-V 相關(guān)的主要工業(yè)興趣不是開源實(shí)現(xiàn)，而是開源指令集，” Fraunhofer IIS高級系統(tǒng)集成組組長兼高效電子部門負(fù)責(zé)人 Andy Heinig 說'自適應(yīng)系統(tǒng)部工程。“有了這個，環(huán)境是標(biāo)準(zhǔn)化的，但實(shí)際的實(shí)施是公司特定的和公司所有的。我們在芯片到芯片接口領(lǐng)域看到了類似的活動，不同的標(biāo)準(zhǔn)正在準(zhǔn)備和討論中。在這里，標(biāo)準(zhǔn)也允許來自不同供應(yīng)商的芯片之間的互操作性。RISC-V 允許在軟件方面實(shí)現(xiàn)互操作性。”

進(jìn)行修改的能力很重要。“支持自定義擴(kuò)展的開源 ISA（如 RISC-V）的出現(xiàn)為處理器設(shè)計(jì)人員提供了難以置信的自由度，” Valtrix Systems的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Shubhodeep Roy Choudhury 說。“與此同時(shí)，它提出了一個非常有趣的驗(yàn)證挑戰(zhàn)。確保所有設(shè)計(jì)都合規(guī)且功能正確，需要改變測試生成器的設(shè)計(jì)方式。它們需要高度可配置，以允許驗(yàn)證自定義功能以及遺留/基線功能。”

這是從開放 ISA 到開源處理器的一大飛躍。“開源 IP 的概念非常誘人，因?yàn)樗屓寺?lián)想到免費(fèi) IP 的概念，” Flex Logix的 IP 銷售和營銷副總裁 Andy Jaros 說。“然而，開源并不是免費(fèi)的。大多數(shù)公司，除非他們想在 IP 開發(fā)上投入大量資源，否則會從 Open5、Andes 等眾多 IP 供應(yīng)商處獲得預(yù)先實(shí)現(xiàn)的 RISC-V 內(nèi)核的許可。這節(jié)省了開發(fā)時(shí)間、驗(yàn)證、軟件開發(fā)等，以及保證和賠償。”

讓多家公司開發(fā)競爭核心可以促進(jìn)實(shí)施中的創(chuàng)新。“RISC-V 的真正價(jià)值在于它為 Arm 提供了競爭，而不是因?yàn)樗情_源的，”Jaros 補(bǔ)充道。“有多個 RISC-V 核心供應(yīng)商提供市場選擇并促進(jìn)競爭。使用 Arm，您只能從 Arm 獲得 Arm 內(nèi)核。”

另一個驅(qū)動因素是核心數(shù)量的迅速增加，這使得根據(jù)實(shí)例支付版稅變得不那么可取。“人們在整個設(shè)計(jì)中都需要處理器，”Davidmann 說。“他們想要大量的小型處理器，而現(xiàn)有的許可條款相當(dāng)困難。當(dāng)然，它很昂貴，但更重要的是，它在更改它的自由方面受到限制。我不相信 RISC-V 的成功是因?yàn)樗阋嘶虺杀靖汀Ｈ绻幌胱雠c Arm 核心相同的事情，那么您絕對應(yīng)該購買 Arm 核心，因?yàn)樗?jīng)過了很好的驗(yàn)證。它設(shè)計(jì)得非常好。這正是你想要的。使用 RISC-V 的唯一原因是因?yàn)槟阆胍杂傻馗淖兯⑻砑幽阕约旱臇|西。”

即使有這一切，如果沒有圍繞它發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)，RISC-V 可能也會成功。“開源社區(qū)開發(fā)了關(guān)鍵工具，這些工具對于使基于 RISC-V 的處理器無處不在至關(guān)重要，例如芯片技術(shù)工藝設(shè)計(jì)套件、設(shè)計(jì)驗(yàn)證套件、實(shí)施工具等，”RISC-V International 的 Cetola 說。“這也使 VLSI 設(shè)計(jì)的民主化成為可能，通過開發(fā)更高級別的設(shè)計(jì)描述語言和先進(jìn)的開源自動化工具來加速設(shè)計(jì)的開發(fā)，使 RISC-V 的功能更進(jìn)一步。借助設(shè)計(jì)工具和工具鏈，RISC-V 將很快變得無處不在。”

OpenHW Group 是使這成為可能的行業(yè)合作組織之一。它正在開發(fā)處理器內(nèi)核和支持內(nèi)核的周邊 IP。此外，它正在部署一整套用于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證這些內(nèi)核的工具。“他們做事的方式不同，Davidmann 說。“一個是他們給你來源，這樣你就可以改變它。更重要的是，它們還為您提供了一個驗(yàn)證環(huán)境，因此如果您進(jìn)行更改，您知道它仍然有效。如果有人只是向你扔一個核心，而你更改了一些代碼，那么你就有可能破壞了某些東西。您需要一個復(fù)雜的驗(yàn)證環(huán)境才能知道您沒有破壞它。這就是 OpenHW 在開源硬件領(lǐng)域與眾不同的地方，因?yàn)樗鼈兲峁┝送暾尿?yàn)證環(huán)境。如果您添加一條新指令，您就知道您沒有破壞其余的指令。我認(rèn)為人們不會只使用 OpenHW 核心并使用它。這沒有多大意義。如果你想省錢，你可以這樣做。但是它允許你做的是接受它并擴(kuò)展它，這是一個非常好的起點(diǎn)。那是關(guān)鍵。你不是從頭開始的。”

擴(kuò)大范圍
這種開源勢頭能否擴(kuò)展到處理器內(nèi)核之外？處理器是完整 SoC 的一小部分。它還需要內(nèi)存控制器和內(nèi)存接口、USB、PCI 等等。這些內(nèi)核沒有為產(chǎn)品提供差異化??，許多人也希望這些內(nèi)核是開源的。

問題是這些內(nèi)核非常復(fù)雜，并且它們包含模擬部件，這些模擬部件往往是針對每種代工廠和工藝技術(shù)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)和實(shí)施的。雖然控制器可以以開源方式構(gòu)建，但可以提出論點(diǎn)，即不將數(shù)字和模擬部分緊密集成會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量低劣。

LowRISC 是一個在英國成立的組織，它最初想建立一個與 Raspberry Pi 相當(dāng)?shù)拈_源系統(tǒng)。今天，它在一個完全協(xié)作的框架中開發(fā)硬件和軟件。這包括 RISC-V 內(nèi)核，以及支持它的軟件編譯基礎(chǔ)設(shè)施。

最近，谷歌為硅信任根創(chuàng)建了規(guī)范和 IP。它開源了這項(xiàng)工作，并委托 lowRISC 進(jìn)行管理。這里的部分重點(diǎn)是開放和透明最終會提高安全性和可信度，而不是修改規(guī)范的能力。

結(jié)論
RISC-V 啟用并促進(jìn)了創(chuàng)新。雖然免費(fèi)可能對行業(yè)的一部分很重要，但真正的關(guān)鍵是自由。這種自由將志同道合的人、公司和組織聚集在一起，開辟新天地。與深度擴(kuò)展相比，它不太可能導(dǎo)致廣度擴(kuò)展。雖然額外的硬件模塊可能是開源的，但也許最重要的收獲將是能夠快速采用處理器的開放規(guī)范并實(shí)施它。

當(dāng)工程師停止開發(fā)他們自己的定制處理器時(shí)，針對處理器開發(fā)和驗(yàn)證的工具就消失了，因?yàn)樵?1980 年代它們幾乎沒有提供任何差異化。現(xiàn)在處理器再次變得高度差異化，業(yè)界正在合作開發(fā)必要的工具。一個尚未回答的問題是，他們是否能夠比 EDA 行業(yè)提供的更快地創(chuàng)建開源工具。