夯实嵌入式赛道,RISC-V产业大有可为（第一部分）

RISC-V是近年流行的一种处理器指令集,与目前主流处理器指令集的区别在于它是一种开源的指令集。RISC-V起源于2010年加州大学伯克利分校的一个暑期项目,经过几年发展,这一技术日趋成熟。2015年成立的RISC-V基金会主要任务是发展和维护指令集架构,保持其完整性。2000年,RISC-V基金会将总部迁至中立国瑞士,更名为RISC-V国际基金会,这无疑能够帮助基金会避开更多政治风险。

RISC-V自诞生以来,已有百余个版本的处理器内核和数百款处理器芯片问世。RISC-V指令集具有简单明晰的模块化架构并支持用户扩展,因此深受芯片公司和设备制造商的喜爱﹐基于RISC-V指令集技术的终端产品遍及世界各地和各行各业。

2022年﹐RISC-V国际基金会首席执行官Calista Redmond在德国embedded world大会上表示,市场上已经有100亿个基于RISC- V内核的芯片。从2010年诞生至今,RISC -V用12年时间实现100亿内核数的出货量,展现了其作为新型处理器架构的旺盛生命力。

1.1 RISC-V处理器蓬勃发展

来自研究机构Counterpoint Research的数据显示,到2025年 RISC-V 在IoT市场的占有率将达28%,在工业市场的占有率将达12%,在汽车市场的占有率将达10%。在2022年杭州云栖大会上,Calista Redmond 演讲时说:“德勤预测2022年 RISC-V内核芯片出货量将比2021年翻一番,2023年将再翻一番﹐RISC-V的崛起已是大势所趋。”

免费开放﹑精简灵活的商业和技术特点,为RISC-V在中国市场的迅速崛起奠定了基础。近年来国产RISC-V处理器芯片数量和品种越来越多,在全球市场有100亿个基于RISC-V内核的芯片中﹐有50%来自中国,其中嵌入式终端产品的出货量占比最大,比如 TWS耳机芯片厂商中科蓝讯,RISC-V核芯片出货量达到10亿颗。2022年底第二届滴水湖中国RISC-V产业论坛上,主办方宣布启英泰伦RISC-V端侧智能语音芯片也有超过千万的出货量,中国移动的RISC-V低功耗 MCU也有百万出货量,先楫半导体的超高性能MCU订货量超过百万,南京博流的IoT芯片也有百万出货量,预计国产RISC-V芯片产品数量和品种未来还将有很大增幅。

1.2  RISC-V标准发布提速

RISC-V国际基金会董事会下设技术委员会(TSC) ,技术委员会下分许多专业委员会(HC) ,专业委员会下再分若干工作组(TG)以及一些特别工作组(SIG),比如软件委员会负责平台、工具和运行库,这样就有两个子委员会(HSC),平台子委员会下面有一个先进中断架构(AIA)工作组﹐工具和运行库子委员会下有AI/ ML和 HPC等许多工作组﹐HPC即高性能计算特别小组,推动RISC-V在高性能计算,超算、边缘计算方面的应用。技术委员会下这样的工作组目前有81个,正在研究和讨论的技术标准分布广泛。RISC-V国际基金会的成员单位参与了标准的研究与制定工作﹐比如阿里平头哥参与29个方向的技术标准制定﹐担任了基金会10个技术小组的主要领导工作,基金会技术委员会的组织结构见图1。

2021年,RISC-V发布了40个扩展规范标准,包括向量、标量密码和虚拟化等标准。2022年发布了E-trace、SBI、UEFI和 Zmmul规范标准,这些标准加速了嵌入式和大型计算系统的设计,提升了软件开发者移植和部署效率。标准是推动产品发展重要的风向标,新标准发表后,SiFive 公司推出支持最新的RISC-V指令集标准的X280 RISC-V处理器。

2022年底,在美国圣何塞举行的全球RISC-V峰会上,RISC-V国际基金会CTO Mark Himelstein说:“除今年已经批准的6项规范外,还有10项规范将在2023年第一季度获得批准。一个突出规范是加密矢量ISA扩展，它将为芯片设计者提供巨大的性能提升。”

1.3 RISC-V高性能计算走到台前

初创公司 Esperanto推出了拥有1000个 RISC- V内核的加速器,专为数据中心推理运算而打造。SiFive 推出了面向数据中心的高性能计算处理器P650。Intel和巴塞罗那超算中心建立新实验室,开发基于RISC-V超级计算机的处理器。在服务器市场,RISC-V也在积极布局。高性能数据中心处理器开发公司Ventana 的64位RISC-V处理器预计在2023年上半年量产。该芯片设计采用最新的Chiplet(芯粒子)技术,可以应用在数据中心、5G/边缘计算、网络和存储、AI/ML等领域。

国内RISC-V高性能计算研究与产业发展迅猛。厦门算能通用高性能服务器芯片SG2042,2022年底量产。RISC-V初步“试水”PC领域﹐RISC-V笔记本电脑RO-MA开启预订,该电脑搭载阿里平头哥最新的曳影1520SoC,该处理器芯片拥有2.5 GHz的四核玄铁C910 CPU,AI算力达 4 TOPs。

2019年,中国科学院计算技术研究所牵头发起“香山”高性能开源RISC- V处理器项目,目标是研发出国际上性能最高的开源高性能RISC-V处理器核。2021年7月香山第一代芯片“雁栖湖”首次流片,见图2。该芯片单核主频为1.3 GHz,2022年1月实测数据达到预期目标，即通过SPEC CPU 2006^[2]分值达到7分/GHz。2022年7月开始启动第二代香山“南湖”架构设计,南湖的最新性能评估结果显示,在目标频率为2GHz、双核CPU情况下，跑分均有一定幅度提升。

香山处理器采用开源开放模式(业界称为开源芯片)，这个方式得到各界的积极认可。在北京市与中科院支持下,18家企业联合发起的北京开源芯片研究院已经成立，未来“香山”处理器核的产品化和新型架构研发将落户北京开源芯片研究院,第三代“昆明湖”架构开启了新的探索。