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AI芯片的十字路口:RISC-V能带来下一代芯片吗?

2020-07-21 10:03 · 稿源:站长之家用户投稿

在芯片领域,X86 架构可以说定义了PC时代;Arm则在移动端一枝独秀。但随着芯片自主化、定制化的需求增长,开源、高效的新兴架构RISC-V(第五代精简指令集架构)正在吸引大量关注,很可能在未来与X86、Arm呈现三足鼎立的格局。

今年 6 月,苹果在WWDC大会上正式宣布将逐步转向自研Arm架构,打造更加高效、低能耗、适应自己的软硬件生态。这是未来趋势的一个注脚:越来越多的公司希望能有更适应自己产品和需求的独特芯片,而具有精简、开源、反应速度快等特点的RISC-V,恰恰可以提供这样的可能性。

它打破了过去X86、ARM架构高价授权费、定制化困难的惯例,大到三星、高通,小到各类创业公司都在使用其开源架构进行芯片开发。行业里评价,RISC-V可能会成为“硬件领域的Linux”。

在各大巨头纷纷入局,新一代芯片生态不断发展之际,钛媒体了解到,一家芯片公司睿思芯科走在了这条路的前列。其创始人谭章熹是RISC-V奠基人David Patterson教授的直系弟子,早在 2017 年就已经开始着手研发产品。他带领着经验丰富的半导体研发团队,打造出了一套基于RISC-V的芯片解决方案。

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睿思芯科开发的ORV32 内核相对相似产品的性能优势,图表由睿思芯科提供

“RISC-V的生态固然值得关注,最重要的仍是在这个基础上做出具有落地能力的完整芯片解决方案。睿思芯科的产品包括全自主设计CPU内核到SiP芯片封装,针对AIoT时代的需求,完成了功耗、速度、通用性、安全、定制化等多个领域的优化。”谭章熹表示。

看好垂直领域需求,瞄准AIoT市场

睿思芯科的产品逻辑来自于,在高度离散化的AIoT时代,不同企业对于芯片的需求也在大幅改变——过去,芯片大部分用X86 或ARM架构,在IP授权方面有较为严格的限制,很难根据各个企业的不同需求完成定制,同样在PC或移动端时代,许多产品的芯片功能需求也并没有太大差异。随着AIoT逐渐进入我们的生活,不同的物联网设备对于功耗和体积较为敏感,应用则往往更“专”,不需要一个面面俱到却能耗大、复杂的芯片,对定制化需求更高。AI芯片则往往对于优化大规模数据运算有强烈需求,需要通过定制化指令集来进行效能提升。

而RISC-V的可定制化、精简、高效低能耗等特性,恰好契合了这些需求变化。

睿思芯科的产品线涵盖高效、低能耗的各类芯片。目前发布的Pygmy为单核 32 位MCU,包含自己设计的RISC-V内核ORV32,针对高效、低耗能的IoT场景,比如家电互联、电池供电等。

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Pygmy实物图

“试想,在IoT时代,假如用户数小时就得给设备充电,几乎是不太可能有真正的应用场景的,这也就意味着,高效、低功耗的芯片成为了IoT市场走向大众的刚需。”谭章熹说道。他在闪存和硬件加速器领域拥有 20 多份专利,曾领导开发的产品Pure FlashBlade2017 年荣获AI硬件领域的AIconics最佳创新奖,目前Tesla,奔驰F1 赛车队等都在使用它。可以说,这是国内在RISC-V领域最有经验的团队之一。

睿思芯科的副总裁王卫,曾任Juniper大中国区技术总监、大中国区总裁,其他团队成员拥有多年半导体企业专业经验及大规模流片实践经验。在其硅谷美研中心,团队成员多数拥有名校背景,具有RISC-V和AI芯片领域优秀的研发实力。

此前,对于AI领域的芯片来说,性能与适用性往往不可兼得。 

过去的芯片架构往往将AI模块放在CPU外,导致效率较低。如今,针对AI需求设计的ASIC芯片虽然能针对单个算法应用做到大幅度加速,但适用性较差。

而基于GPU来打造的AI芯片,适用性很强,然而能效比却常常过低。无法使用端侧高能效,低功耗的场景。

正是因此,睿思芯科瞄准的是“在高性能与通用性中找到平衡”,完全以RISC-V来开发,通过CPU结合向量扩展指令集,完成硬件加速。这也意味着不仅能在嵌入式应用达到laptop级别性能,还可以比较容易地应用在AIoT及AI的各个领域中。

软硬件一体开发、做芯片界的苹果

除了睿思芯科以外,市面上RISC-V相关的芯片企业也正蓬勃发展,其中有一部分企业用不同的架构进行混合研发,或是专注于ASIC芯片,方向各异。

“开源RISC-V出现后,市面上有了很多基于各种开源RISC-V实现的产品。但是开源处理器的实现质量参差不齐,就与Android tablet一样,功耗,性能从端到端的表现都会有比较大的差异。睿思的RISC-V则是像apple产品从软件支持,内核微架构设计,SoC系统优化,以及到封装提供更好的用户体验。”谭章熹表示。

睿思芯科擅长系统架构,自主设计ORV系列CPU架构,保证性能;其Pygmy系列产品再集成不同组件,通过SIP(System in a package)方式进行封装。目前,睿思芯科有完整的产品交付能力,可以提供从RISC-V内核到SiP形式交付特定用户系统的解决方案。

以ORV32(基于RISC-V实现的 32 位内核)为例,它在性能和功耗上就和市面上其他开源RISC-V芯片有较大差别。

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ORV32 功耗相对相似产品较低,图片由睿思芯科提供 

ORV32 内核在多个测试平台上性能对比结果显示,ORV32 在Dhrystone 上比同行中出色芯片处理速度快46%;在CoreMark上测试,高出目前最快的同类型RISC-V芯片还多18%。

睿思芯科提供的对比分析显示,其自主设计的RISC-V芯片,在通用CPU性能基准测试中表现出色,对比几款不同的主流RISC-V开源芯片,性能普遍超出50%以上。

另一方面,睿思芯科的产品也很好地反应出可扩展的特性——这正是RISC-V指令集的优势——从软件到硬件都拥有针对特定应用场景增加扩展指令的能力。

“在AIoT领域,功耗,性能,安全的几大关注点都需要系统级(软硬件各个层面)优化才能保证良好的使用体验。硬件上,我们的CPU大幅领先常见的开源实现。软件上我们支持商业操作系统,并提供安全/功耗的相关核心软件,这也意味着Pygmy系列是更为完整的解决方案。”

“通过软硬件一体化的设计,我们自主研发的芯片能够让用户不用修改太多软件源代码就可以无缝升级(类似于software的forward compatibility,软件向前兼容),跟过去的芯片升级换代的经验类似。”谭章熹表示,在摩尔定律失效之后,需要在架构上、一体化设计上做创新,让用户仍旧体会到相同频率的效率提升。

在芯片领域,强力软件的支持和兼容性是一个重要的议题。睿思的Pygmy系列chip,除了很早就支持Linux之外,还广泛支持Amazon FreeRTOS, ThreadX, Azure RTOS等商用操作系统。Pygmy系列处理器支持TEE(Trusted Execution Environment)。安全方面的支持需要除CPU外整个SoC系统的支持。而Pygmy提供根植于硬件的信任度,软件上受信任的固件支持受信任的安全启动,固件升级和修复。

时间窗口与未来生态

不仅是睿思芯科或其他基于RISC-V开发芯片的厂商,Intel、AMD也在探索把AI模块集成在CPU上的设计,以适应AI时代的需要。

老牌指令集架构厂商Arm也在今年 2 月发布了Cortex-M55 核心架构,提供新的Helium128-bit向量执行单元,助力Cortex-M系列嵌入式CPU的深度学习。值得一提的是,Pygmy中的向量执行单元为512-bit宽为ARM Helium的 4 倍,相当于Intel最新的AVX512 的宽度。

另一方面,从发布到芯片真正完成设计生产,大概需要18- 24 个月的时间,起步较早的RISC-V架构也就有了在这段时间内蓬勃发展的窗口期。

根据Semico Research & Consulting 去年发布的《RISC-V市场分析:新兴市场》报告,基于RISC-V开发的芯片可对各个不同的芯片产品都有重要价值,包括高性能多核SoC(system on chip)、价值多核SoC、基本SoC,以及FPGA(Field-programmable gate arrays)等等。

报告显示,预计到 2025 年,采用RISC-V架构的芯片数量将增至 624 亿颗, 2018 年至 2025 年复合增长率高达146%。这些芯片将主要应用在工业市场,PC、消费电子和通讯市场等。

尝试RISC-V架构的巨头名单也在不断增加:IBM、NXP、西部数据、英伟达、高通、三星、谷歌、华为、阿里、Red Hat与特斯拉等 100 多家科技公司都已经加入RISC-V阵营。

世界范围内,RISC-V备受关注,与此同时,作为RISC-V在国内最早的布道者,谭章熹非常敏锐地感知到,未来RISC-V在中国有着巨大市场——多年来,中国一直试图在芯片领域找到突破口,却苦于IP限制始终难以提供可靠的“中国芯”。而RISC-V的开源特性,让它不仅能够带来更高效、可编程性强的自主可控芯片,还免除了高额的IP授权费用及问题。

“过去在中国,买IP做封装、做解决方案的厂商并不少,而能够自主研发IP和完成底层处理器设计的非常少。基于RISC-V,这一点很可能迎来变化。”

2018 年,谭章熹在深圳建立了睿思芯科总部。迄今为止,睿思芯科已与国内数家知名智能家居厂商以及消费电子厂商达成战略合作。

预计今年年末,睿思芯科将发布一款多核异构芯片Pygmy,针对AI、边缘计算场景,如语音互动、机器视觉等,Pygmy中含有睿思芯科自主设计的 32 位RISC-V内核ORV32,以及 4 个 64 位RISC-V内核ORV64。

2015 年,RISC-V基金会建立,旨在推动RISC-V相关软硬件生态体系发展。仅在中国,RISC-V基金会就有超过百名成员,包括华为、阿里巴巴、长虹、紫光展锐、中芯国际等等知名互联网和半导体企业。目前谭章熹担任RISC-V基金会董事。

“全世界对RISC-V的兴趣并不是因为它是一种伟大的新芯片技术,而是因为它是一种通用的自由开放标准,可以将软件移植到该标准中,并且该标准允许任何人自由开发自己的硬件来运行RISC-V软件。”RISC-V的基金会上这样陈述。

此前,围绕RISC-V也曾有着种种争议——安全问题、碎片化等等。其竞争者Arm甚至还上线过一个网站,专门用于指出RISC-V的问题,后因受到多方指责而关停。另一方面,年轻的RISC-V指令集虽然精简,然而在生态上暂时还无法与X86、ARM匹敌,相关软件、服务并不算丰富,仅在IoT这类对于生态要求较低的领域能够迅速发展。

然而不可否认的是,RISC-V及其他开源指令集,把过去复杂、涉及行业众多的芯片开发变得更加“亲民”,也让我们在AI、IoT时代能够期待更多能够解决垂直领域需求的优秀芯片。

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