RISC-V 處理器架構(gòu)的引入令人興奮是無(wú)可爭(zhēng)議的。然而，盡管許多人將其稱(chēng)為更廣泛的開(kāi)源硬件運(yùn)動(dòng)的預(yù)兆，但其成功背后的原因并不明顯，而且對(duì)更多開(kāi)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(kāi)發(fā)人員的首選架構(gòu)已經(jīng)在硬件開(kāi)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(gè)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(gè)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(wú)力。

在與RISC-V社區(qū)的人們交談時(shí)，有兩個(gè)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(duì)這些人來(lái)說(shuō)，免費(fèi)幾乎無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樗麄儠?huì)花很多錢(qián)來(lái)獲得他們想要的東西。

不斷變化的市場(chǎng)

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(gè)新的制造節(jié)點(diǎn)。第二個(gè)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(gè)正確的地點(diǎn)，正確的時(shí)間問(wèn)題嗎？

對(duì)處理器的看法發(fā)生了變化。“硬件設(shè)計(jì)過(guò)程社區(qū)對(duì)自由的要求推動(dòng)了 RISC-V，” Imperas Software創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Simon Davidmann 說(shuō)。 “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 href="http://www.asorrir.com/v/tag/107/" 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(shí)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(duì)您沒(méi)有幫助。因此，電子產(chǎn)品市場(chǎng)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(jí)營(yíng)銷(xiāo)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(zhuān)業(yè)化。 ” “開(kāi)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(zhuān)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(chǎng)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(gè)共同點(diǎn)，那就是他們不會(huì)試圖銷(xiāo)售他們開(kāi)發(fā)的芯片。相反，他們銷(xiāo)售的服務(wù)在某種程度上是由這些產(chǎn)品推動(dòng)的。他們無(wú)法從現(xiàn)有市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)合適的產(chǎn)品，因此他們準(zhǔn)備自己開(kāi)發(fā)芯片，同時(shí)通過(guò)貢獻(xiàn)和合作推動(dòng)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(gè)領(lǐng)域，每個(gè)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(gè)方面分開(kāi)。首先是架構(gòu)本身。其次是大量可用的架構(gòu)開(kāi)源實(shí)現(xiàn)。第三個(gè)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(lái)幫助實(shí)施和驗(yàn)證 RISC-V 處理器。

它最初是為了滿(mǎn)足特定需求而創(chuàng)建的。“它現(xiàn)在擁有大量資源，” Imperas 的 Davidmann 說(shuō)。“最初，它來(lái)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(lái)，它從人和前伯克利畢業(yè)生那里獲得了一些動(dòng)力。Momentum 比 OpenRISC 構(gòu)建的要多得多。大學(xué)需要它，他們推動(dòng)了它。”

RISC-V 現(xiàn)在是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的 ISA，它被加州大學(xué)伯克利分校趕出，由一個(gè)行業(yè)非營(yíng)利組織——RISC-V International 負(fù)責(zé)管理。許多大學(xué)都創(chuàng)建了開(kāi)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(tái)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(kāi)源核心，并將它們提供給整個(gè)社區(qū)。示例包括 CHIPS 聯(lián)盟和 OpenHW 集團(tuán)。

許多國(guó)家制定了滿(mǎn)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(guó)也有其他類(lèi)似的項(xiàng)目，他們正在將 RISC-V 核心構(gòu)建為開(kāi)源，以便將它們提供給他們的社區(qū)并滿(mǎn)足他們的特定利益。

RISC-V 是第一個(gè)開(kāi)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(kāi)源實(shí)現(xiàn)，而是開(kāi)源指令集，” Fraunhofer IIS高級(jí)系統(tǒng)集成組負(fù)責(zé)人和高效電子部門(mén)負(fù)責(zé)人 Andy Heinig 說(shuō)‘自適應(yīng)系統(tǒng)部工程。“有了這個(gè)，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?cè)谛酒叫酒涌陬I(lǐng)域看到了類(lèi)似的活動(dòng)，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(lái)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(kāi)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(shuō)。“與此同時(shí)，它提出了一個(gè)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(cè)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(xiàn)功能。”

這是從開(kāi)放 ISA 到開(kāi)源處理器的一大飛躍。“開(kāi)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(xiāo)售和營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Andy Jaros 說(shuō)。“然而，開(kāi)源并不是免費(fèi)的。大多數(shù)公司，除非他們想在 IP 開(kāi)發(fā)上投入大量資源，否則會(huì)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(kāi)發(fā)時(shí)間、驗(yàn)證、軟件開(kāi)發(fā)等，以及保證和賠償。”

讓多家公司開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)，而不是因?yàn)樗情_(kāi)源的，”Jaros 補(bǔ)充道。“有多個(gè) RISC-V 核心供應(yīng)商提供市場(chǎng)選擇并促進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)。使用 Arm，您只能從 Arm 獲得 Arm 內(nèi)核。”

另一個(gè)驅(qū)動(dòng)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?cè)谡麄€(gè)設(shè)計(jì)中都需要處理器，”Davidmann 說(shuō)。“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(duì)應(yīng)該購(gòu)買(mǎi) Arm 核心，因?yàn)樗?jīng)過(guò)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(méi)有圍繞它發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)，RISC-V 可能也會(huì)成功。“開(kāi)源社區(qū)開(kāi)發(fā)了關(guān)鍵工具，這些工具對(duì)于使基于 RISC-V 的處理器無(wú)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(shuō)。“這也使 VLSI 設(shè)計(jì)的民主化成為可能，通過(guò)開(kāi)發(fā)更高級(jí)別的設(shè)計(jì)描述語(yǔ)言和先進(jìn)的開(kāi)源自動(dòng)化工具來(lái)加速設(shè)計(jì)的開(kāi)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(wú)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(kāi)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(shuō)。“一個(gè)是他們給你來(lái)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(gè)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(gè)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(gè)復(fù)雜的驗(yàn)證環(huán)境才能知道您沒(méi)有破壞它。這就是 OpenHW 在開(kāi)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(méi)有破壞其余的指令。我認(rèn)為人們不會(huì)只使用 OpenHW 核心并使用它。這沒(méi)有多大意義。如果你想省錢(qián)，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(gè)非常好的起點(diǎn)。那是關(guān)鍵。你不是從頭開(kāi)始的。”

擴(kuò)大范圍

這種開(kāi)源勢(shì)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(méi)有為產(chǎn)品提供差異化??，許多人也希望這些內(nèi)核是開(kāi)源的。

問(wèn)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(duì)每種代工廠(chǎng)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(kāi)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量低劣。

LowRISC 是一個(gè)在英國(guó)成立的組織，它最初想構(gòu)建一個(gè)與 Raspberry Pi 相當(dāng)?shù)拈_(kāi)源系統(tǒng)。今天，它在一個(gè)完全協(xié)作的框架中開(kāi)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(kāi)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(kāi)放和透明最終會(huì)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(duì)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(kāi)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(kāi)源的，但也許最重要的收獲將是能夠快速采用處理器的開(kāi)放規(guī)范并實(shí)施它。

當(dāng)工程師停止開(kāi)發(fā)他們自己的定制處理器時(shí)，針對(duì)處理器開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的工具就消失了，因?yàn)樵?1980 年代它們幾乎沒(méi)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(kāi)發(fā)必要的工具。一個(gè)尚未回答的問(wèn)題是，他們是否能夠比 EDA 行業(yè)提供的更快地創(chuàng)建開(kāi)源工具。