（原文來自半導體Chaney觀察翻譯自“Semiconductor Emgineering"，本文作為轉載分享，謝謝）

RISC-V正進一步進軍主流市場，在眾多設計領域嶄露頭角，并獲得了越來越多的芯片制造商、工具供應商、大學和代工廠的支持。大多數(shù)情況下，它被用作一種補充的處理器，而非其他處理器的替代品，但這在未來可能會改變。

對于芯片制造商而言，RISC-V特別具有吸引力的是開源。RISC-V指令集架構（ISA）在本世紀初開始在加州大學伯克利分校開發(fā)，可通過伯克利軟件分發(fā)（BSD）許可證獲得，它允許以最小的限制廣泛分發(fā)設計。這對于開發(fā)原型的初創(chuàng)公司來說尤其適用，但也適用于高度特定的應用，如安全協(xié)處理器，因為它的源代碼可以調(diào)整。此外，它在中國等市場表現(xiàn)良好。在中國，全國都在努力降低半導體貿(mào)易逆差，以及芯片的IP成本。

大多數(shù)支持者欣然承認，在RISC-V對市場上 已有的處理器核心構成嚴重威脅之前，它還有很長的路要走。為特定的應用開發(fā)軟件和微架構需要時間，而RISC-V基金會自2015年才成立。這一切使得RIS C-V架構成為協(xié)處理器的一個有趣選擇，但并不一定是商業(yè)設計中的主要處理元素。事實上，我們尚不清楚RISC-V是否會真正取代一些領先的處理器架構。但它肯定會在那些成熟的處理器旁邊找到立足點，隨著RISC-V架構和軟件的成熟，它的角色只會越來越重要。

Microsemi公司FPGA營銷總監(jiān)、RISC-V基金會發(fā)言人Ted Marena表示：“看看市場就知道，x86不會消失，ARM架構也不會消失。參考RISC-V的方式，以及諸多客戶對這項技術的看法，我們可以得出結論，RISC-V是一種選擇。它可以實現(xiàn)人們可能需要的創(chuàng)新水平。有很多人不需要它，但他們還有很多選擇。 但對于那些需要更高級別功能的人而言，RISC-V正是填補空缺的地方。”

ARM、MIPS、Synopsys（ARC）和Cadence（Tensilica）已經(jīng)成功推廣了各自的ISA，以及一整套工具和軟件，但它們阻止了這些架構的擴展。ARM和MIPS憑借其處理器在移動和網(wǎng)絡市場中占據(jù)了主導地位。此外，每一種處理器都有集中的生態(tài)系統(tǒng)和OS/中間件的首選項。

Imperas公司首席執(zhí)行官Simon Davidmann表示：“有了Synopsys的ARC和Cadence的Tensilica，他們鼓勵擴展，并且有方法來幫助用戶解決這個問題。他們在不需要大量生態(tài)系統(tǒng)支持的特定音頻和DSP市場上取得了成功?！?/p>

另一方面，Davidmann指出，RISC-V的設計旨在擴展，生態(tài)系統(tǒng)正在與商業(yè)工具一起發(fā)展，以協(xié)助設計和驗證這些擴展。RISC-V采用者瞄準了AI、ML和物聯(lián)網(wǎng)等尚未建立OS/中間件首選項的新興市場。每種架構都有許多細分市場。

圖1：SiFive的RISC-V Linux-ready架構。 （來源：SiFive）

OneSpin Solutions公司技術營銷經(jīng)理Sergio Marchese對此表示贊同：“服務公司和EDA供應商有很多機會提供量身定制的解決方案，以適應開放的、可互操作的設計開發(fā)框架，工程師可以選擇一流的解決方案并無縫部署。請設想，如果擁有了開放的、正式的RISC-V ISA規(guī)范，并使用它在硬件實現(xiàn)的簡單或復雜微架構的驗證中提供前所未有的嚴格性和自動化水平，這該有多好?！?/p>

但是，供應商也將在其使用的RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的所有部分對解決方案的優(yōu)點展開競爭，無論是涉及IP、軟件工具還是EDA。

西門子Mentor事業(yè)部設計驗證技術部營銷總監(jiān)Neil Hand表示：“RISC-V建立方式的美妙之處在于，人們可以選擇開拓一個有利可圖的市場，或直接提供競爭解決方案。玩得好才是唯一的選擇?！?/p>

但并非每個人都同意這個觀點。Breker Verification Systems首席營銷官Dave Kelf表示：“RISC-V基金會的一些人認為，RISC-V會與ARM直接展開競爭。”

Kelf表示：“如果我們看看RISC-V指令集架構相對于ARM和其他商業(yè)處理器供應商的開放性質(zhì)，就很容易明白其中的原因。不過，從市場的實際情況來看，在不久的將來，RISC-V不太可能取代ARM在其任何核心業(yè)務中的地位。與ARM相比，RISC-V有一個有趣的優(yōu)勢，它能夠擴展指令集，同時仍然使用標準化的工具流。這使得它與Tensilica和ARC等可擴展的處理器相比更具競爭力，并取代了內(nèi)部處理器。看看目前公司內(nèi)的項目，正是這些應用已經(jīng)用上了RISC-V。到目前為止，它還沒有與ARM正面交鋒。然而，開放的ISA的威脅一定會讓ARM感到緊張，而ARM公司迅速刪除了它之前發(fā)布的一個網(wǎng)頁表明，情況可能確實如此?！?/p>

RISC-V最適合的領域

對于一些工程團隊而言，使用基于RISC-V的處理器實現(xiàn)定制的承諾是很有吸引力的，許多人正在使用RISC-V來取代內(nèi)部的專用加速器，這樣他們就可以利用軟件生態(tài)系統(tǒng)，因為RISC-V具有高度可擴展性。Kelf指出，這些加速器通常對用戶是隱藏的，而ARM內(nèi)核是暴露給軟件開發(fā)人員的。

Microsemi公司的Marena以Western Digital為例，說道：“他們想要一種特殊的總線和接口。對于他們的情況，則需要一些超出標準化架構的東西。處理器在很多方面都做得很好，但有些事情它們做得不太好。所以，當你尋求特殊功能，想要下一級別的創(chuàng)新的時候，RISC-V便有了用武之地。”

在硬件安全方面也是如此。人們通常認為開源硬件是更安全的，因為它是由更多的人為更多的終端應用開發(fā)的。

Rambus公司首席技術官Martin Scott表示：“物聯(lián)網(wǎng)是非常危險的生態(tài)系統(tǒng)，需要保護。從芯片到云，以及中間的任何地方，都存在漏洞。設計中可能存在固有漏洞，這些漏洞連接到不安全的臨時全球網(wǎng)絡和軟件棧。有很多不同的流程（包括業(yè)務流程和安全流程）都需要管理，沒有中央機構或中央標準。”

斯科特說，有一些實用的方法來處理硬件安全問題，例如使用安全層。但他補充說，開源的一個關鍵優(yōu)勢在于，人們能夠共享關于漏洞在何處出現(xiàn)以及如何解決這些漏洞的信息?！拔覀兪褂肦ISC-V的原因是，我們可以操作ISA以保證安全。這非常重要。微架構的實現(xiàn)和架構本身一樣重要，因為從旁路攻擊的角度來看，以不同方式完成的等效功能實現(xiàn)可能會產(chǎn)生非常不同的安全問題?！?/p>

這正是RISC-V目前正在尋找用武之地的領域。ARM公司嵌入式和汽車戰(zhàn)略副總裁Tim Whitfield指出，器件正在向更異構化的方向轉變，專用處理器也是如此?！巴ㄓ玫挠嬎惴绞綍兓瘑酭ISC-V圍繞該答案所做的創(chuàng)新是好的。專家們一直在深度嵌入式領域使用RISC-V，它正在取代執(zhí)行非常專業(yè)任務的專用內(nèi)核。這意義重大，因為你可以靈活地操作架構，去做一些瑣碎的工作，構建接口。這是目前RISC-V非常適合的地方。”

但UltraSoC首席執(zhí)行官Rupert Baines表示，考慮到企業(yè)在代碼、指令集和架構方面的巨額投資，RISC-V還可能通過專有架構獲得青睞?！傲硪粋€方面是臨界質(zhì)量，開發(fā)維持低于臨界點（critical mass）的東西可能非常昂貴。對于像英偉達這樣的公司，他們有自己完全定制的東西，現(xiàn)在他們已經(jīng)擁有了RISC-V。他們受益于所有的工具和編譯器，這仍然是他們自己的定制，但他們只是降低了開發(fā)成本，因為他們可以利用其他的一切?！?/p>

Baines說，Andes和Codasip等其他公司正在提供基于RISC-V的內(nèi)核，并且保持其業(yè)務模式不變——它們授權使用內(nèi)核和開發(fā)環(huán)境，但由于他們使用通用ISA，所以它們可以利用世界其他地方的投資，達到臨界點（critical mass）。

基于RISC-V的處理器已經(jīng)與SoC中的ARM處理器并駕齊驅(qū)，Whitfield希望這種情況能像其他架構一樣繼續(xù)下去?！捌渌軜嬕呀?jīng)存在，并將永久存在，無論是提供了人們所需要的類似的架構靈活性的Tensilica，還是RISC-V處理器。它們都與ARM應用處理器和ARM嵌入式處理器共存?！?/p>

Davidmann 表示，實際上，大多數(shù)不只有一個核心的SoC往往擁有較大的多核應用處理器（如Arm或MIPS）運行主操作系統(tǒng)，如Linux；周圍有較小的“minion”處理器（如Andes或其他RISC）運行RTOS和其他內(nèi)核，或是裸機，以加速應用的性能。

Whitfield補充道：“你必須記住RISC-V是一個架構，到頭來就是一張紙。Andes、Codasip，以及其他公司將建立一個微架構。這既昂貴又困難。ARM不僅僅是CPU架構，還是一家IP公司和一個系統(tǒng)解決方案軟件生態(tài)系統(tǒng)。所以，我們可以共存，這是一種“贏家通吃”的死亡競賽——這絕對不是零和游戲。其他架構一直都有空間。在有技術意義的地方，我看到了深度嵌入的專有類型。也許將來會有別的東西。ARM沒有理由不以某種方式復制同樣的優(yōu)點。處理器可能會有不同的未來，ARM必須開發(fā)不同的IP來填補這個空白?！?/p>

缺少的東西

為了使RISC-V在商業(yè)基礎上真正起飛，我們需要工具和軟件，以及未來SoC設計在處理器ISA、IP供應商和軟件棧方面將越來越異構的理解。

Davidmann表示：“行業(yè)需要新的先進工具來建模、模擬、移植軟件、開發(fā)和調(diào)試新軟件。驗證這些新型異質(zhì)多核系統(tǒng)的正確運行將是未來的核查預算中的很大一部分?！?/p>

Mentor事業(yè)部的Hand表示：“還需要一種一致的方法來測試基于RISC-V的處理器的合規(guī)性，不包括擴展，并對包含一些RISC-V技術的系統(tǒng)進行功能驗證?！?/p>

Breker公司的Kelf指出，最大的問題之一是開放式指令集架構與開源核心或軟件工具之間的混淆?！癛ISC-V是一個開放的ISA，但這并不一定意味著開源實現(xiàn)。這就導致了一些問題，例如個體實現(xiàn)是否符合ISA標準，因此，驗證是一個大問題，尤其是當ISA被擴展時。確實有內(nèi)核、軟件工具和RISC-V的其他方面的開源實現(xiàn)，但這些功能的商業(yè)準備是否成熟還存在疑問。人們需要更多的商業(yè)產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品具有很強的魯棒性，公司完全會冒險使用它們的SoC。當然，SiFive是開發(fā)更強大實現(xiàn)的公司之一?！?/p>

對此，SiFive認為，開發(fā)復雜芯片的成本很高，這對芯片行業(yè)而言是不健康的。

SiFive公司首席執(zhí)行官Naveed Sherwani表示：“這一切都關乎半導體業(yè)務的生存。如果開源是一個棧，你可以免費使用任何可用的東西，而且可以隨時購買一個更好的版本。但這意味著你可以基于開源組件構建原型。構建芯片所需的所有IP都是免費的。如果你的芯片投入生產(chǎn)，那么你就得支付IP的費用，無論價格貴賤。現(xiàn)在你所做的就是降低生產(chǎn)原型的成本。開發(fā)芯片的成本很高，沒有風險投資公司會資助，也沒有年輕人會嘗試。如果今天的成本是1000萬美元，我希望看到它變成100萬美元。這包括所有IP、所有SerDes、所有DDR控制器。 這就是目標，就是硬件開源的意義。”

軟件的挑戰(zhàn)

異構系統(tǒng)也面臨著軟件方面的挑戰(zhàn)，這些問題尚未得到解決。

Baines表示：“從歷史上看，在異構系統(tǒng)中，大多數(shù)工具都是為了應對開放式架構而設計的，所以你最終得到了一系列孤島，然后就會在各種不兼容環(huán)境之間切換，每個環(huán)境都是特定的?！?/p>

這不僅限于RISC-V。Whitfield表示：“在不同的架構中，有GPU和視頻加速器以及各種加速部件，這對軟件而言是個問題。我們看到的許多內(nèi)容都是深度嵌入式應用，它們有自己的生態(tài)系統(tǒng)，或者沒有開放的可編程性。我認為我們還沒見過有兩個應用處理器的世界，也沒見過可編程的特定的加速器，旁邊帶著一個ARM芯片?！?/p>

Baines認為這些系統(tǒng)確實存在，但表示它的規(guī)范案例一直是應用處理器和某種調(diào)制解調(diào)器芯片中的DSP。“調(diào)制解調(diào)芯片一直都有這種架構，而且一直都非常困難，因為你有一個ARM和一個CEVA，調(diào)試這種組合很困難。”

這就解釋了為什么唯一真正的粗粒度卸載引擎一直是圖形和視頻，因為它們能夠發(fā)展自己的生態(tài)系統(tǒng)，并且有單獨的引擎支持它的優(yōu)點。Whitfield 表示：“我們在AI中看到了這一點，我們開始看到神經(jīng)網(wǎng)絡加速器和整個生態(tài)系統(tǒng)，所以這將是另一個粗粒度卸載引擎。利用RISC-V所提供的細粒度材料，我們將非常有趣地看到，世界是否真的需要它走向大眾市場。你已經(jīng)在Tensilica和ARC中見過了，有些人需要這種專業(yè)化，但大部分都來自GPU。你離開CPU通用計算，進入加速器，然后得到一個架構修訂版，修訂版說因為生態(tài)系統(tǒng)的問題，會加入一些東西使它成為通用架構。如果你將其重新構建到架構中，則可以更輕松地完成。直到現(xiàn)在都是這樣。不過，摩爾定律總會終結，只有少數(shù)幾個特定領域的架構會保留下來。這會發(fā)生嗎？”

Mentor事業(yè)部的Hand對此表示贊同：“軟件方面總是個問題。每個核心都有不同的工具鏈，因此使用這些系統(tǒng)并管理跨系統(tǒng)部分的任務非常復雜。如果許多專有加速器被基于RISC-V的加速器取代，那么這將有助于創(chuàng)建一個共同的生態(tài)系統(tǒng)。今天的情況并非如此，因為每個RISC-V供應商都有自己對工具鏈的定義?！?/p>

驗證問題

另一項挑戰(zhàn)是如何模擬和調(diào)試這些系統(tǒng)。Davidmann表示：“如果你從你的IP提供商那里獲得工具，這些工具可以很好地工作在他們的IP上，但在試圖讓它與其他供應商的IP協(xié)同工作時，往往會出現(xiàn)問題。要為包含來自各種IP供應商客戶的IP的SoC開發(fā)軟件，你需要確保它們的模型、模擬器、調(diào)試、驗證、分析，以及分析工具可以與許多供應商和許多ISA協(xié)同工作?！?/p>

對于現(xiàn)在想要采用RISC-V的用戶而言，選擇是有限的。隨著IP和工具提供商開發(fā)出解決方案，情況將發(fā)生變化。

Baines表示：“外設、硬件、一些工具和生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)生變化，這取決于你采用的時間有多早，在這方面是否適應，或者是否要再等6個月，直到它們更成熟。對于深度嵌入式，很多人都說已經(jīng)非常成熟了。如果你正在設計一個深度嵌入式系統(tǒng)或其他東西，那將是一件非常明智的做法。轉向應用處理器和面向客戶的Linux類處理器是目前正在開發(fā)的技術，因此還不夠成熟?！?/p>

跨核心協(xié)調(diào)許多不同的任務，然后在簽核之前驗證這些任務是至關重要的。Mentor事業(yè)部的Hand表示：“這些系統(tǒng)的復雜性正在增加，并伴隨著相互依賴的關系。此外，許多新應用涉及到功能安全至關重要的領域。因此，我們不僅需要確保某些功能正常，還需要確保其正常失效（對于大多數(shù)設計團隊而言，這是一個全新的領域）?！?/p>

法律問題

最重要的是，當一個架構被應用到特定的市場時，圍繞專利還有很多問題。

Whitfield表示：“有了RISC-V架構，然后才會有微架構的CPU。我感興趣的是如何從架構到微架構。我認為有三條路線。要么拿一張白紙，自己從頭開始設計，這是非常專業(yè)的方法。世界上有一些團隊能夠做到這一點，尤其是當你把它遷移到應用類的時候。你從某個地方獲取開源版本，然后修改并使用它。然后是關于代碼來源的對話——誰擁有它，它來自哪里，如果你正在談論功能安全和安全性，那么功能安全就是從規(guī)范到實現(xiàn)所要全面了解的東西。‘我正在做需求跟蹤，問題很多?！阍撊绾谓鉀Q？或者你去第三方IP供應商——Andes或Codasip，然后，模型就與ARM非常相似，他們會為你解決這些問題。但那時，自由的吸引力必然會消失，因為有人投入了大量資金來達到這一點?！?/p>

這導致了涉及IP保護和專利侵權的挑戰(zhàn)。

Whitfield表示：“從模式的角度來看，架構是干凈的，但只要你進入微架構領域，就會有英特爾和高通和ARM，還有很多其他公司，他們自己可能不會去靠近那里。專利巨人花了很多時間來保護我們的合作伙伴，所以這是一個挑戰(zhàn)。當你構建一個微架構時，你幾乎肯定會在某個地方違反一些微架構模式，此時，專利巨人就會出現(xiàn)。如果你從開源架構中選擇了它，或者自己開發(fā)了它，誰來保護你呢？”

另一方面，當基于指令集架構的衍生產(chǎn)品數(shù)量巨大時，保護IP變得更加困難。

結論

雖然RISC-V繼續(xù)受到關注，但工具和軟件存在缺陷，并且涉及到所有可定制架構的風險。這可能會限制RISC-V在設計中的使用方式和位置，至少在短期內(nèi)如此。但是足夠的市場激勵和機會將使RISC-V成為未來幾年值得關注的技術，特別是芯片越來越多地利用架構作為提高性能和降低功耗的最佳方式，而不是依賴于相同的處理器越來越密集地實現(xiàn)。