占位符还是革命性突破？RISC-V处理器架构引领中国芯片产业新机遇！

RISC-V正引领着开源理念在硬件社区中的接受，它促进了前所未有的行业协作，并重新激发了学术界与产业界之间的紧密联系。

目前，我们面临着一个关键问题：这种布局是否仅仅是行业在重新学习处理器开发过程中的一个过渡方案，还是RISC-V处理器架构本身就是一种革命性的创新。不论结果如何，对于更加灵活多变的处理器架构的需求都是明确且迫切的，而RISC-V至少在目前填补了这一领域的空白。Bluespec 产品和业务开发副总裁 Loren Hobbs 表示：“RISC-V自诞生起就源于学术界，并且从一开始就在各大高校之间建立了深厚的合作关系。这种合作持续至今，许多备受欢迎的开源RISC-V处理器都源自高校。OpenHW Group和CHIPS Alliance等组织在推动学术界与工业界之间的双向合作中扮演着核心且重要的角色。”过去，工业界中并未形成过这样的合作模式。OpenHW的CEO Florian Wohlrab表示：“我们正在相互学习，汲取最佳验证实践的精华。同时，我们也在学习哪些方法是应该避免的。随着人们逐渐认识到‘分享想法确实能带来益处’，这种合作模式正在不断发展壮大。”
处理器灵活性的需求在产业界和学术界中都存在。西门子EDA的市场总监Neil Hand表示：“产业界在处理器方面需要多元化。” “以前，因为各自为营，很多公司都合作不起来。但现在RISC-V有个很团结的中心组织，谁想搞处理器都能加入一起干。大家不用亮出底牌，但都能从中受益。这就像是水涨船高，RISC-V就处在这个好时候。”

RISC-V的生命力

RISC-V能否在行业中持续这一成功势头，还是随着时间的推移逐渐消亡，还有待观察。但至少目前，RISC-V 的发展势头正在增长。“我们正处于硬件设计革命的开始阶段，”OpenHW 的 Wohlrab 表示。“20 年前 Linux 问世时，我们在软件方面也看到了同样的事情。没有人真正考虑共享软件或协作开发软件。尽管存在一些小规模的开源项目，但大型项目的合作开发还需要长时间的积累。如今，我们已经习惯了软件的共享与协作。对于硬件而言，我们才刚刚开始探索这一全新理念，许多人需要意识到，我们在硬件领域也能实现与软件相同的协作模式。”RISC-V的成功背后，离不开广泛的合作与协作。“RISC-V成功的关键支柱之一，在于其与生态系统的紧密配合以及利用明确的开发流程，”SmartDV应用工程副总裁Sergio Marchese强调，“RISC-V供应商面临的挑战在于如何展示其处理器定制化能力如何服务于实际应用，并在真实硬件上验证整个流程。缺乏战略合作伙伴的支持，RISC-V供应商将面临更为艰巨、耗时且资源密集的发展道路。”这一框架的建立，正是RISC-V独特之处的体现。“RISC-V为合作构建了这一框架，并解决了诸多问题，”Siemens的Hand指出，“如今，当某所大学在处理器设计中提出关于内存标记的创新想法时，他们无需从头开始构建编译器或参考平台，因为这些都已经有了。同样，如果一家编译器优化初创公司有了处理代码优化的新思路，他们也无需构建整个生态系统。当处理器IP公司有了创新点子，他们可以在这个更大的框架中专注发展。这正是RISC-V的独特之处，它不仅仅是一个处理器规格，更是一个开放的协作平台。”从历史上看，开源硬件的一个问题是质量，因为硅芯片中的缺陷检测成本高昂。OpenHW在解决这一难题中起到了关键作用。Wohlrab提出：“为何我们需要各自为战，重复造轮子呢？为何不采用一些基本的构建模块，如基础芯片，并结合学术界中质量可靠的设计，共同进行构建和验证？我们运用多样化的工具进行验证，确保验证的覆盖面广泛而深入，进而使得每个人都能将这些经过验证的模块应用到自家的芯片中，实现大规模生产和批量供应。”

在学术领域，RISC-V架构的采用对于各规模的企业都带来了显著的益处。Hand指出：“当前已有多个处理器供应商转向RISC-V架构，包括Synopsys、Andes以及MIPS等。这一转变的驱动力在于RISC-V能够充分利用整个生态系统所提供的优势。尽管商品化是这一转变的潜在缺点，但对于客户而言，它实际上带来了显著的益处，因为它允许客户在设计流程的后期阶段再决定选择哪种处理器。客户首先需要在Arm生态系统和RISC-V之间做出选择，然后基于这一选择进行后续工作。这种灵活性为学术研究和产业实践创造了一系列有趣的动态。对于开发和提供知识产权（IP）的公司而言，他们可以开始探索新的机会，通过基准测试、替换和比较不同的处理器架构，以确定哪种架构最适合他们的需求。然而，从锁定视角来看，一旦企业选择了RISC-V架构，可能会面临一些挑战。”

碎片化

当然，系统中会存在一些摩擦。西门子 EDA 产品管理总监 Geir Eide 表示：“在 RISC-V 的早期，该技术的贡献者和消费者之间几乎保持 1:1 的平衡。如今，RISC-V 消费者有数千人，但其中只有一小部分人会成为贡献者。他们之间可能会出现脱节。例如，如果某个特定市场或区域的增长速度高于其他市场或区域，或者其他市场和区域更为保守，他们往往会更长时间地坚持既定的解决方案。这增加了导致碎片化的风险。”这种趋势是否会对长期发展产生影响？“我们不认为 RISC-V 会成为区域集中，尽管在 RISC-V 提供的广泛实施选择中可能会出现区域集中的情况，”Bluespec 的 Hobbs 表示。“巴塞罗那超级计算机中心就是一个很好的例子，它为使用 RISC-V 的高性能计算创建了一个区域重点领域。然而，虽然可能存在区域重点领域，但这并不意味着 RISC-V 标准是或将变得支离破碎。事实上，RISC-V 创建和建立的关键原则之一就是防止 ISA 的碎片化，这也是 RISC-V 国际组织一直关注的核心功能。”然而，中国的情况可能有所不同。Arteris 客户服务副总裁 John Min 表示：“中国很多公司都在开发 RISC-V 内核供内部使用，这得到了政府激励的加速。我认为中国将在嵌入式领域全面采用RISC-V。产品，但这是一条单行道。他们将继续利用西方公司的做法并加以改进。中国将继续吸收所有进步，例如矢量化或特定领域的特殊加速增强。他们将创造自己的产品并在内部将其变成自己的产品，但他们不会给予任何回报。”过去确实出现过类似的分裂现象。Hand指出：“设计语言就是最近的一个例子。”他解释说，“那时存在地域性的分歧，欧洲专注于VHDL，而美国则选择了Verilog。对于RISC-V而言，也会出现类似的区域性分裂，各地的人们会基于本地需求进行各自的开发。欧洲有专注的项目，印度也有他们自己的项目，但他们都在RISC-V这一框架下进行。他们意识到这样做是互利的。他们并不是为了造福他人而这么做，最终是为了节省自己的精力和成本，但他们也认识到，在RISC-V的框架下工作，对所有人都是有益的。”

双向性

一个重要因素是每个人都能受益，而且这必须跨越学术/商业界限。“RISC-V 推动了学术界和商业组织之间新程度的合作，”Breker 首席执行官 Dave Kelf 表示：“值得注意的是，加州克莱蒙特的哈维穆德学院和瑞士苏黎世联邦理工学院等机构已经制作了先进的处理器设计作为教学辅助工具，并与多家公司合作进行验证和设计。OpenHW 集团进一步推进了这一进程，使这些设计可供业界使用。这种双向合作有利于工具提供商进一步增强他们在先进开放设备上的产品，同时也使学术界能够将他们的设计改进到商业质量水平。如果我们要看到 RISC-V 成为一种主流的、全行业的技术，那么建立良性循环至关重要。”学术界在硬件发展方面大有可为。SiFive企业传播主管 Dave Miller 表示：“大学的研究人员正在开发创新的新软件和硬件，以突破 RISC-V 创新的极限。学术界的许多 RISC-V 项目都专注于优化 AI 工作负载的性能和能源效率，并且都是开源的，因此整个生态系统都可以受益。研究人员还积极为 RISC-V 工作组做出贡献，分享他们的知识并与行业参与者合作。这些工作组由来自亚太地区、欧洲和北美的代表组成，他们齐心协力，共同实现共同目标。”在许多情况下，行业愿意资助此类项目。“这使得研究课题更容易获得，而不必费尽心机，”汉德说。“如果你是一名博士生，并且有一个好主意，你可以去做。行业合作伙伴很容易说，‘我会赞助它。这是一件有趣的事情，我不需要为一个开放式项目分配大量资金。就好像我可以看到这项研究以后如何转化为商业产品的联系。’”这回馈给了学术界。“学术界已经加入 OpenHW，”Wohlrab 说。“通过利用核心并将其产品化，他们得到了可以大批量出货的芯片。然后他们可以对真正的商业产品进行研究，看看他们的想法是否能在现实生活中实现。他们得到了真实的数字，可以看到新分支预测器带来的好处。”它还可以为工具带来长期利益。“他们希望在某些领域与我们合作，特别是在安全领域，”Synopsys联盟营销管理执行董事 Kiran Vittal 表示。“他们正在使用开源 RISC-V 处理器构建基于 RISC-V 的子系统，然后学术界不仅希望研究 AI 部分，还希望研究安全部分。有博士后或博士生正在研究使用我们的工具来验证或实施他们在安全方面所做的工作。”这激励 EDA 为大学提供更好的工具。西门子的Eide说：“尽管大学和行业之间一直存在合作，行业为大学提供 EDA 工具、IP 核心等，但往往存在一些滞后。”“在许多情况下（特别是在特定项目的核心领域之外），大学可以使用旧版本的商业解决方案。例如，如果你看看新毕业生的简历，过去你会看到对旧技术的引用，但现在你会看到很多对 RISC-V 相对复杂使用的引用。”

向前迈进

这项合作需要继续推进。“我们曾计划为加速器创建一个标准化接口，”Wohlrab 说。“RISC-V International 标准化了如何在 ISA 中添加自定义指令，但没有硬件接口的标准。所以我们构建了这个。这是一次很酷的讨论。有来自 Silicon Labs 的人、来自 NXP 的人、来自 Thales 的人，还有几家初创公司的人。他们聚在一起问，‘我们如何才能让它面向未来并将加速器放在里面？’”RISC-V 的应用空间正在发生变化。“最大的转折点是 Linux 和 Android，”Arteris 的 Min 说。“Android 已经获得了一些支持，但当 Android 和 Linux 都真正得到支持时，它将改变移动应用处理器游戏。设计的数量将激增。高端设计的数量将激增。这需要整个行业来实现，因为 RISC-V 公司还不足以独自创造这一点。所有 RISC-V 公司都是合作伙伴，因为我们在处理器级别实现了这种高端设计。”这将加深软件社区的参与度。“如果嵌入式软件开发人员想在使用自定义指令/加速器的 RISC-V 处理器上运行 Linux，他们需要了解底层硬件，”Bluespec 的 Hobbs 说。“要开发复杂的嵌入式硬件/软件系统，嵌入式软件开发人员和嵌入式硬件开发人员都必须具备对硬件和软件互操作性的背景理解。开发人员必须了解定制处理器如何利用 Linux 硬件中的自定义指令来有效管理和执行加速工作负载。”此次合作也可以重振 EDA 研究。“借助人工智能，你可以建立预测模型，”Hand 说。“这可以用来识别扩展带来的变化效果吗？这意味着什么？存在着一团影响——不是直接以门为单位，因为它会立即爆发——但可能基于测试套件。‘我知道触及该逻辑的东西会触及下游，进而触及设计的其余部分。’这就是人工智能发挥重要作用的地方，也是最有趣的领域之一，因为在验证中存在太多未知数。当人工智能出现时，你所能提供的任何指导或可见性都非常有用。即使它不是 100% 正确，也没关系，只要它产生的是假阴性而不是假阳性。”EDA 公司面临着巨大的机遇。“我们与许多开源提供商、OpenHW 集团和苏黎世联邦理工学院合作，”Synopsys 的 Vittal 表示。“我们希望在任何处理器设计方面推广我们的解决方案，您需要标准工具，如综合、布局布线、模拟。但也有其他类型的独特解决方案，因为 RISC-V 非常可定制，您可以构建自己的自定义指令。您需要一些特定的东西来验证这些自定义指令，这就是 Imperas 黄金模型如此重要的原因。我们还与 Bluespec 合作开发了一种验证方法，带您完成功能验证和调试。”定制化方面仍有一些问题需要解决。“RISC-V 为我们提供了可预测性，”Hand 说。“我们可以创建一个合规性测试套件，如果您在实施方面，我们可以为您提供处理器优化包。我们可以创建分析和测试解决方案，因为我们知道它会是什么样子。但对于非标准处理器，它实际上是一种服务，因为每个人的处理器都有点不同。从平台架构探索到整个过程，您会看到大量关注验证的原因是因为如果您更改一件小事，例如寻址模式，它几乎会影响 100% 的处理器验证。您必须重新测试整个处理器。大多数人没有像 Arm 或 Intel 那样拥有庞大的处理器验证团队和基础设施，因此他们需要自动化来为他们完成这项工作。”

结论

RISC-V 使业界能够创建一个协作框架，使每个人都能出于个人利益而共同合作。这是一种持续建立的共生关系，并且随着时间的推移，它正在创造更广泛的影响范围。Hand 表示：“这在现代半导体时代是独一无二的。你们的合作范围非常广泛，处理器制造商、软件行业领导者、EDA 公司都在一个共同的基础设施上工作。”