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關(guān)于RISC-V發(fā)展現(xiàn)狀與應用分析和介紹

ELEXCON深圳國際電子展 ? 來源:djl ? 2019-10-24 10:42 ? 次閱讀

RISC-V相關(guān)的技術(shù),RISC-V我相信應該算是一個比較新的話題,在我開始講這個話題之前,我想做一個現(xiàn)場的調(diào)查,聽說過RISC-V這個技術(shù)的請舉手,基本上跟我的預期差不多,聽說過RISC-V這個技術(shù)的還是寥寥無幾。所以我覺得今天這個講座很有意義,可以讓更多的人了解到RISC-V這個技術(shù)。

在我具體展開講解RISC-V技術(shù)之前,我們先看一看RISC-V全球范圍內(nèi)的熱度,在何老師的講座中也提到RISC-V,大家可能在腦海中發(fā)起一個問號,到底什么是RISC-V。我們先看RISC-V在全球范圍內(nèi)的熱度表現(xiàn)。前不久計算機體系結(jié)構(gòu)泰斗Hennessy和Patterson獲得了2017年圖靈獎,并且這兩個人紛紛進駐到谷歌擔任首席科學家,在計算機體系結(jié)構(gòu)方面產(chǎn)生了很大的影響力。

這兩個泰斗,這兩個大師代表一種什么趨勢呢?首先這兩個大師編排了很多的經(jīng)典英文教材,譬如說《計算機組成與設計》、《計算機體系結(jié)構(gòu)量化研究方法》,這些都是他們倆合作的,他們倆本身也是RISC-V技術(shù)架構(gòu)的發(fā)起人和推動者,他們多次在公開場合介紹RISC-V技術(shù)。這兩位泰斗獲得了圖靈獎,以及進駐谷歌,也代表了一種跡象。他們編排的教材目前都改編了基于RISC-V的最新版本,也就是說在全球范圍,尤其是以美國微首,目前在大學范圍內(nèi)所有的計算機結(jié)構(gòu),電子工程系的教材,在進行計算機相關(guān)的相關(guān)方面都采用RISC-V作為教材,現(xiàn)在的邊緣計算,以及IoT領(lǐng)域一些新的論文或研究也基本上是在用RISC-V作為指令集。

在全球范圍被很多國家采納為國家的標準指令集,比如說印度已經(jīng)明確了將RISC-V定義成國家標準的指令集,以色列、美國等都有相應的一些國家計劃。在產(chǎn)業(yè)界也引起了廣泛的關(guān)注,三星、NVDIA都明確的表示它們會使用RISC-V用到產(chǎn)品當中。以RISC-V技術(shù)的相關(guān)新創(chuàng)公司相繼獲得巨額融資,譬如說美國Sifive獲得5千多萬的C輪融資。所以說,RISC-V在全球范圍內(nèi)可能比在中國掀起了很大的熱度。

在座90%的人都沒有聽說過RISC-V,大家可能很好奇這是一個什么東西,為什么現(xiàn)在在全球范圍內(nèi)掀起這么大的熱度?我們現(xiàn)在開始正式的進入今天的講座,介紹一下RISC-V的前世今生,以及現(xiàn)在的發(fā)展狀況。

首先做一個簡單的自我介紹,本人是上海交通大學電子工程系微電子畢業(yè),在業(yè)界基本上是從事CPU相關(guān)的研發(fā),做過處理器的設計工程師。目前在國內(nèi)最早研發(fā)RISC-V相關(guān)的處理器核,并且將基本的一個處理器開源了。出版了即將上市的中文《教你設計CPU—RISC-V處理器》書。

現(xiàn)在開始真正介紹RISC-V,RISC-V的誕生,它為什么誕生?它是什么樣的東西。2010年發(fā)源于伯克利大學,圖靈獎獲得者是伯克利大學的院長,他推動伯克利大學發(fā)行全新的RISC-V架構(gòu)。在2016年的時候RISC-V技術(shù)成立了基金會,創(chuàng)始會員包括有谷歌、西部數(shù)據(jù)等大公司,目前中國的會員有***晶芯、華為、聯(lián)發(fā)科、杭州中天等。

為了讓大家更詳細的理解什么是RISC-V,以及它誕生的意義。先科普一個很簡單的概念,可能很多人都知道。處理器指令集架構(gòu)的一個概念,因為我們剛剛說了RISC-V是一種全新的指令集架構(gòu),什么是一種指令集架構(gòu)呢?指令集架構(gòu)簡稱為ISA,指令集架構(gòu),有時簡稱為“架構(gòu)”或稱之為“處理器架構(gòu)”,是處理器的靈魂。指令集架構(gòu)不僅僅是一組指令的集合,它還要定義任何軟件程序員需要了解的硬件信息,包括支持的數(shù)據(jù)類型、存儲器和寄存器狀態(tài)、尋址模式與存儲器模型等等。下面是硬件,上層有各種豐富的應用,在硬件和軟件的抽象層便是指令集架構(gòu)。所以說指令集架構(gòu)可以理解為一個抽象層,構(gòu)成處理器底層硬件與運行于其上的軟件之間的橋梁與接口,也是現(xiàn)代計算機處理器最重要的一個抽象層。所以說,一個指令集架構(gòu)決定了一個處理器的靈魂,也就決定了處理器的流派。

現(xiàn)在看看有哪些指令集架構(gòu),譬如說整個處理器的領(lǐng)域之分,以及在每個領(lǐng)域的主流架構(gòu)。在服務器方面,以英特爾公司為代表的X86架構(gòu)的高性能CPU占壟斷地位。在手機和手持設備基本上是以ARM公司為代表的,在嵌入式設備也是ARM,它在這一塊也是非常強勢的存在,也有其他公司是不錯的。在日常生活中,見到最多的是ARM,因為ARM公司主打的是IP授權(quán)為主的生態(tài),整個生態(tài)圈是非常龐大的,基本上所有的公司都是采用ARM的架構(gòu)。

在RISC-V誕生之前,我們看到一個非常明顯的趨勢,ARM這個架構(gòu)基本上要統(tǒng)一整個處理器,ARM基本上要一統(tǒng)天下,ARM也在侵蝕英特爾的服務器桌面,我們知道現(xiàn)在蘋果、高通推出桌面PC,也支持ARM架構(gòu),基本上的趨勢是ARM要統(tǒng)一這個世界了。國內(nèi)的處理器架構(gòu)的現(xiàn)狀,最強大的也是ARM,飛騰、展訊、華為都在用ARM。

我們剛剛已經(jīng)理解了處理器架構(gòu)的意義,ARM的架構(gòu)基本上是要統(tǒng)一全世界的處理器架構(gòu)的趨勢,在這種背景之下RISC-V誕生了,就好象天下分久必合,合久必分。市面上大部分的架構(gòu)都消亡了,到了ARM架構(gòu)為主的主流架構(gòu),在架構(gòu)壟斷的情況下,硅谷2010年基金會成立,終于誕生了一個全新的指令集RISC-V,這個指令集的誕生是一個顛覆性的誕生,這個架構(gòu)的目標和以往看到的商業(yè)架構(gòu)都不一樣,希望能夠產(chǎn)品一個完全開放的指令架構(gòu),可以為任何組織機構(gòu)和商業(yè)組織所使用。如果我們要設計一個ARM的數(shù)據(jù)或使用ARM的架構(gòu)是要向ARM付費的,并且這是不少的一筆費用。RISC-V是作為一個開放的架構(gòu),基金會只是負責維護,本身任何人都是免費使用RISC-V。成為一種真正適合硬件實現(xiàn)且穩(wěn)定的標準指令集架構(gòu)。由于它的顛覆性,2015年被美國一個機構(gòu)評為最佳技術(shù)。

RISC-V架構(gòu)技術(shù)上的特點可以總歸為三點,模塊化、極簡、可擴展。模塊化,這個架構(gòu)是模塊化的指令集,再配合一些擴展的指令集來組成,面對不同的應用,可以通過組合它的不同模塊滿足你的不同應用,譬如說嵌入式領(lǐng)域的應用,可能跟服務器上的應用很不一樣,可以調(diào)整不同的模塊化,能夠滿足特定的應用。

極簡,可以體現(xiàn)在這幾個方面,因為我們看到一些傳統(tǒng)的ARM架構(gòu),篇幅有數(shù)千頁,RISC-V架構(gòu)只有小于三百頁,指令數(shù)目,ARM是指令數(shù)繁多,不同的架構(gòu)分支彼此不兼容。RISC-V一套指令集支持所有架構(gòu),基本指令集僅40余條指令,以此為共有基礎,加上其他長用模塊指令集總數(shù)也僅幾十條。易實現(xiàn)性,硬件實現(xiàn)的復雜性度高。RISC-V是硬件設計與編譯器實現(xiàn)非常簡單。

可擴展,這也是它最大的一個特點,因為傳統(tǒng)的ARM指令是不允許做指令集的擴展,RISC-V有一套很方便的方法,方便你做一些擴展的方向。再回顧一下剛才所說的RISC-V在技術(shù)上的三個特點,第一,它是模塊化;第二是極簡;第三是可擴展。

再看它的發(fā)展現(xiàn)狀,首先最大的一點它是通用、開放和免費的,跟以往而言相比很不一樣。引起業(yè)界的關(guān)注,很多大公司都紛紛的為它站臺,并且紛紛的把它應用到自己的芯片產(chǎn)品當中,或者是其他的研究當中。RISC-V基金會,每年都舉辦大概2-3長的行業(yè)Workshop,在行業(yè)內(nèi)的公司進行交流,在中國舉辦了一次,每次都會有一個大公司或知名的大學為它主辦主場。

最經(jīng)典的教材都改編了RISC-V的版本,尤其是以美國為主的大學,看美國現(xiàn)在的教材,全部都以RISC-V作為教材,并被納入國家標準指令集。RISC-V很有可能能夠成為真正實現(xiàn)國產(chǎn)自主的指令集架構(gòu),國產(chǎn)創(chuàng)新領(lǐng)域用各種各樣國外授權(quán)的指令集架構(gòu),先后投入大概十幾年的發(fā)展,這些國外的指令集架構(gòu),從本質(zhì)上來講是授權(quán),一方面是要給國外的商業(yè)公司付費,另一方面來講,它們可以停止授權(quán)。如果我們國家自己定義一套自己的指令集架構(gòu),本身又沒有太大的意義,因為處理器架構(gòu)必須要是一個全球范圍內(nèi)的普世通用的,才能獲得全球范圍內(nèi)的通用生態(tài)的支持。

所以,在以前的背景下,國產(chǎn)自主可控與普世通用生態(tài)存在天然的矛盾,現(xiàn)在有了RISC-V,其實能夠很好的解決這個問題。首先,因為它是一個開放的基金會組織定義標準,它也是免費的,并不會掌握在任何一個國外商用公司的手上。基金會組織,中國的公司和個人都可以加入成為會員,所以是不存在被國外公司所控制的問題,國產(chǎn)自主可控能夠?qū)崿F(xiàn)。另外,在全世界范圍內(nèi)迅速的發(fā)展,產(chǎn)生全新的生態(tài),普世通用的生態(tài)也是完全沒有問題。結(jié)合這兩點,我們來看,只有RISC-V這個架構(gòu)才能真正實現(xiàn)國產(chǎn)自主的指令集架構(gòu)。

由于它的特點,在國內(nèi)RISC-V非常活躍,尤其是在芯片和嵌入式領(lǐng)域的從業(yè)者非常關(guān)注RISC-V,現(xiàn)在國內(nèi)有兩個微信群是爆滿的,這個群也是有一些熱心的參與者來組織的,在群里面大家每兩個星期會發(fā)一個周報,這些都是自發(fā)性的,會總結(jié)全球范圍內(nèi)RISC-V的發(fā)展現(xiàn)狀,以及中國國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀。現(xiàn)在有大量的參與者,如果大家也關(guān)注一些相關(guān)的行業(yè)報道,基本上到2018年的時候已經(jīng)頻頻的看到這些報道,發(fā)表撰文介紹RISC-V。中文第一本RISC-V處理器教材馬上要出版了,這是我寫的。

RISC-V版本盤點,RISC-V是新的指令集架構(gòu),它只是一個指令集架構(gòu),它并不是一個處理器的CPU版本,它指定一個標準,按照這個標準可以做你自己的創(chuàng)新,可以做很低功耗的處理器,或者是很高性能的處理器,只要符合RISC-V的架構(gòu),都可以稱之為RISC-V處理器。英特爾可能出了不同的芯片,實現(xiàn)上是不一樣的,但都是符合這個架構(gòu)的。

RISC-V是開放的指令集架構(gòu),每個人、每個公司都可以做,在過去全世界范圍內(nèi)冒出幾十個不同的版本,很多版本是開元版本,也就是說免費版本,可以直接下載下來免費使用。有一些商業(yè)IT公司推出商用的版本,基本上都是以國外的為主。中國大陸到目前為止,據(jù)我了解只有蜂鳥E200 Core是開源的,列舉了目前非常主流的版本。參與者其實來自全世界范圍,在短短兩年之內(nèi)冒出這么多版本,接下來會冒出更多的版本,是無法想象的。

RISC-V既然發(fā)展的這么熱,當然時間還很短,2016年才成立,2017年國內(nèi)基本上很少有人知道RISC-V,即便到現(xiàn)在為止也是專業(yè)的圈子有部分人知道,它發(fā)展的時間很短,雖然在國外很火,在國內(nèi)相對而言沒有那么火,它到底在哪些地方產(chǎn)生了應用呢?這邊做了一個簡單的總結(jié)。

很多大公司都在為RISC-V站臺,列出幾個非常有代表性的大公司,西部數(shù)據(jù),公開宣傳將替換其所有產(chǎn)品的處理器為RISC-V。NVDIA明確的說用RISC-V作為GPU內(nèi)部控制內(nèi)核;三星的芯片用RISC-V內(nèi)微控制器內(nèi)核;Ceva、谷歌、微軟,(PPT),以上表格僅列出明確發(fā)布了新聞稿的知名大公司,行業(yè)內(nèi)已經(jīng)大范圍內(nèi)使用RISC-V充當嵌入式控制內(nèi)核。除了明確表態(tài)的公司,在一些業(yè)界大公司已經(jīng)非常普遍的使用RISC-V做處理器內(nèi)核。

圍繞著RISC-V的商用技術(shù),在全球范圍內(nèi)也涌現(xiàn)出很多專門的商業(yè)公司,主要是以美國為主,這個是發(fā)生在硅谷,美國對新事物接受速度相對快一些,有很多公司用它做一些特定芯片的公司,在歐洲也有一些公司,包括在俄羅斯,中國***都,***Andes也是用RISC-V來做自己的芯片產(chǎn)品。中國大陸目前沒有。以上只是列舉了一些比較知名的公司,還有很多公司都在用做自己的芯片產(chǎn)品。

RISC-V的行業(yè)應用,美國SiFive支持Linux處理器核是用RISC-V做的,Green WavesIoT低功耗邊緣應用處理器,也是采用RISC-V來做的。說到行業(yè)應用不能繞開ARM,RISC-V作為一個全新的免費新的架構(gòu),自然就要處理和ARM的關(guān)系,這是我個人的觀點,ARM在既有的壟斷領(lǐng)域會繼續(xù)保持強勢,比如說手機,這里面會應用到ARM處理器,綁定了安桌的生態(tài)系統(tǒng),永遠都不可能會替代掉。在一些新興的領(lǐng)域,比如說IoT、AI、邊緣計算、數(shù)據(jù)中心,RISC-V與ARM應該是會產(chǎn)生共贏互補的關(guān)系,共同的推動這個產(chǎn)業(yè)爆發(fā)。

最后我們談一談RISC-V基于IoT的意義,今天的展會主要討論嵌入式IoT,我們看RISC-V這個技術(shù)對IoT能夠帶來什么樣的變化或什么樣的意義。現(xiàn)在IoT的現(xiàn)狀趨勢剛剛何老師講過,IoT的數(shù)量會越來越多,IoT的趨勢和要求,對于處理器的要求,首先是持續(xù)的碎片化,碎片化是IoT的最大特點,IoT的應用場景太多了,不同的應用場景有完全不同的要求,所以它是一個碎片化的生態(tài)。在碎片化的生態(tài)里面,如何能夠快速的定制出有個性差異化的芯片產(chǎn)品,未來非常重要。

其他的三點(PPT),面對這個趨勢同樣有一些要求,剛剛何老師已經(jīng)說過了,不再強調(diào)了,低功耗低成本;安全性;增強計算,這些也是新的要求。

講到現(xiàn)狀背景,我們看看目前RISC-V能夠帶來新的機遇,現(xiàn)在碎片化的IoT為技術(shù)上所代表的挑戰(zhàn)是什么?現(xiàn)在IoT和邊緣計算領(lǐng)域,由于它的碎片化特點,其實存在著越來越以應用為中心,不像以前以芯片為中心。現(xiàn)在IoT和邊緣計算是碎片化,以應用為中心的場景,以應用公司和模組公司為中心的趨勢,而替代了傳統(tǒng)的以芯片公司為中心的模式。傳統(tǒng)以芯片公司為中心的模式難以滿足現(xiàn)在的趨勢。ARM的發(fā)布周期長,售價昂貴,用同樣的IoT,會面臨同質(zhì)化競爭的問題,由于價格昂貴,使得創(chuàng)新的門檻非常高昂,基本上很大的公司和有技術(shù)能力的公司才能最早買到IP,難以快速響應碎片化的IoT和邊緣計算能力的需求。

RISC-V的優(yōu)點,RISC-V是一個全世界通用的標準處理機構(gòu),生態(tài)優(yōu)勢長期向好,現(xiàn)在很多人不知道RISC-V,就不知道生態(tài)好,是長期來看RISC-V的生態(tài)是長期向好的,現(xiàn)在大學基本上是以RISC-V開始授課,以后工程和計算機系畢業(yè)的學生,把時間放在5-10年的情況來看,對RISC-V的掌握情況來看,會成為基本的技能。

第二是它的架構(gòu)開放免費的,消除了處理器架構(gòu)的專利壁壘,降低了創(chuàng)新的門檻,只要有技術(shù)能力的公司和技術(shù)能力的個人,就可以使用這個架構(gòu)來開發(fā)一些有意思的產(chǎn)品和有意思的處理器。

第三,具備低成本的優(yōu)勢,降低了創(chuàng)新的代價。

第四,我們剛剛說的,它是可定制可擴展,能夠快速響應“碎片化和越來越以應用為中心”的IoT和邊緣計算領(lǐng)域的新需求。

機遇上述原因,越來越多國外新創(chuàng)公司正在使用RISC-V設計處理器內(nèi)核,試圖進入各個細分領(lǐng)域。剛才說的歐洲的GreenWaves,美國的Ours,越來越多的國內(nèi)公司在使用RISC-V內(nèi)核用于芯片產(chǎn)品。

RISC-V對IoT帶來的意義,在邊緣端和IoT端,對于傳統(tǒng)的通用生態(tài)的依賴并沒有那么強,更加的看中其他方面的要求。所以,RISC-V很好的能滿足這一點。總而言之,RISC-V能夠降低創(chuàng)新的代價,促進IoT和邊緣計算的爆發(fā)。

最后花一點時間快速的給大家看一看蜂鳥E200處理器的近況,是中國第一款基于RISC-V的處理器內(nèi)核,這款處理器對標現(xiàn)在用的最多的ARM Cortex M0+的內(nèi)核,所以是2級的內(nèi)存處理器,是世界上最小的內(nèi)核之一,是一個開放的架構(gòu),全國自主的,這個是我設計的,安全可控,無須向國外公司支付版稅和授權(quán)。應用范圍,Cortex M0的應用范圍就是它的應用范圍,M0+最小的內(nèi)核到M7等等。蜂鳥E200已經(jīng)開源了,我們可以看到蜂鳥E203跟Cortex MO+的對比(PPT),蜂鳥E200是一個完整的系列,還有E205、E205f,不同之觸有的是指出單機的,有的是支持雙機的,不僅僅是免費的問題,特性是上具有差異化的IP,能夠很好的替代不同級別的Cortex M的內(nèi)核用在不同芯片產(chǎn)品上。目前開發(fā)版和window的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)完備了,基于window開發(fā)環(huán)境可以直接開發(fā)、下載調(diào)試,已經(jīng)具備了實際的使用性,蜂鳥E200開源在專業(yè)圈子已經(jīng)形成了相當?shù)挠绊懥α耍幸粋€專門的微信群。

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    和使用其代碼。這種開放性促進了全球范圍內(nèi)的創(chuàng)新與合作,有助于推動RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的快速發(fā)展。 模塊化設計:RISC-V支持模塊化可配置的子集,使得開發(fā)者可以根據(jù)具體的應用需求進行靈活定制。這種
    發(fā)表于 04-28 09:03

    RISC-V有哪些優(yōu)缺點?是堅持ARM方向還是投入risc-V的懷抱?

    、修改和使用其代碼。這種開放性促進了全球范圍內(nèi)的創(chuàng)新與合作,有助于推動RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的快速發(fā)展。 模塊化設計 :RISC-V支持模塊化可配置的子集,使得開發(fā)者可以根據(jù)具體的應用需求進行靈活定制
    發(fā)表于 04-28 08:51

    RISC-V 基礎學習:RISC-V 基礎介紹

    更高的權(quán)力,能對系統(tǒng)資源進行管理。 10. 總結(jié) 本文梳理了 芯片、CPU、流水線,指令與架構(gòu)等基礎概念,引出了RISC-V 基礎介紹,簡單介紹RISC-V 由來。后續(xù)針對
    發(fā)表于 03-12 10:25

    Imagination:RISC-V CPU的重要力量

    根據(jù)SHD集團最近發(fā)布的報告顯示,RISC-V正全速發(fā)展中。通過分析從2021年到2030年這十年間RISC-V核在不同應用和功能領(lǐng)域的潛在市場,作者RichWawrzyniak得出結(jié)
    的頭像 發(fā)表于 03-07 08:26 ?757次閱讀
    Imagination:<b class='flag-5'>RISC-V</b> CPU的重要力量

    國內(nèi)RISC-V現(xiàn)狀疑惑

    從關(guān)注單片機以來,現(xiàn)在最多見的是ARM系列的。感覺生產(chǎn)RISC-V的廠家不太多啊。是什么原因呢?從開發(fā)角度看,沒有什么大的區(qū)別使用上也還不錯。所以在想,是不是因為專門研究RISC-V架構(gòu)的不多,導致可直接借鑒使用的少,因為廠家不愿意投入研發(fā),直接拿來使用造成的結(jié)果?
    發(fā)表于 02-17 20:48
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