RSIC-V正面临哪些挑战？

（原文来自半导体Chaney观察翻译自“Semiconductor Emgineering"，本文作为转载分享，谢谢）

RISC-V正进一步进军主流市场，在众多设计领域崭露头角，并获得了越来越多的芯片制造商、工具供应商、大学和代工厂的支持。大多数情况下，它被用作一种补充的处理器，而非其他处理器的替代品，但这在未来可能会改变。

对于芯片制造商而言，RISC-V特别具有吸引力的是开源。RISC-V指令集架构（ISA）在本世纪初开始在加州大学伯克利分校开发，可通过伯克利软件分发（BSD）许可证获得，它允许以最小的限制广泛分发设计。这对于开发原型的初创公司来说尤其适用，但也适用于高度特定的应用，如安全协处理器，因为它的源代码可以调整。此外，它在中国等市场表现良好。在中国，全国都在努力降低半导体贸易逆差，以及芯片的IP成本。

大多数支持者欣然承认，在RISC-V对市场上 已有的处理器核心构成严重威胁之前，它还有很长的路要走。为特定的应用开发软件和微架构需要时间，而RISC-V基金会自2015年才成立。这一切使得RIS C-V架构成为协处理器的一个有趣选择，但并不一定是商业设计中的主要处理元素。事实上，我们尚不清楚RISC-V是否会真正取代一些领先的处理器架构。但它肯定会在那些成熟的处理器旁边找到立足点，随着RISC-V架构和软件的成熟，它的角色只会越来越重要。

Microsemi公司FPGA营销总监、RISC-V基金会发言人Ted Marena表示：“看看市场就知道，x86不会消失，ARM架构也不会消失。参考RISC-V的方式，以及诸多客户对这项技术的看法，我们可以得出结论，RISC-V是一种选择。它可以实现人们可能需要的创新水平。有很多人不需要它，但他们还有很多选择。 但对于那些需要更高级别功能的人而言，RISC-V正是填补空缺的地方。”

ARM、MIPS、Synopsys（ARC）和Cadence（Tensilica）已经成功推广了各自的ISA，以及一整套工具和软件，但它们阻止了这些架构的扩展。ARM和MIPS凭借其处理器在移动和网络市场中占据了主导地位。此外，每一种处理器都有集中的生态系统和OS/中间件的首选项。

Imperas公司首席执行官Simon Davidmann表示：“有了Synopsys的ARC和Cadence的Tensilica，他们鼓励扩展，并且有方法来帮助用户解决这个问题。他们在不需要大量生态系统支持的特定音频和DSP市场上取得了成功。”

另一方面，Davidmann指出，RISC-V的设计旨在扩展，生态系统正在与商业工具一起发展，以协助设计和验证这些扩展。RISC-V采用者瞄准了AI、ML和物联网等尚未建立OS/中间件首选项的新兴市场。每种架构都有许多细分市场。

图1：SiFive的RISC-V Linux-ready架构。 （来源：SiFive）

OneSpin Solutions公司技术营销经理Sergio Marchese对此表示赞同：“服务公司和EDA供应商有很多机会提供量身定制的解决方案，以适应开放的、可互操作的设计开发框架，工程师可以选择一流的解决方案并无缝部署。请设想，如果拥有了开放的、正式的RISC-V ISA规范，并使用它在硬件实现的简单或复杂微架构的验证中提供前所未有的严格性和自动化水平，这该有多好。”

但是，供应商也将在其使用的RISC-V生态系统的所有部分对解决方案的优点展开竞争，无论是涉及IP、软件工具还是EDA。

西门子Mentor事业部设计验证技术部营销总监Neil Hand表示：“RISC-V建立方式的美妙之处在于，人们可以选择开拓一个有利可图的市场，或直接提供竞争解决方案。玩得好才是唯一的选择。”

但并非每个人都同意这个观点。Breker Verification Systems首席营销官Dave Kelf表示：“RISC-V基金会的一些人认为，RISC-V会与ARM直接展开竞争。”

Kelf表示：“如果我们看看RISC-V指令集架构相对于ARM和其他商业处理器供应商的开放性质，就很容易明白其中的原因。不过，从市场的实际情况来看，在不久的将来，RISC-V不太可能取代ARM在其任何核心业务中的地位。与ARM相比，RISC-V有一个有趣的优势，它能够扩展指令集，同时仍然使用标准化的工具流。这使得它与Tensilica和ARC等可扩展的处理器相比更具竞争力，并取代了内部处理器。看看目前公司内的项目，正是这些应用已经用上了RISC-V。到目前为止，它还没有与ARM正面交锋。然而，开放的ISA的威胁一定会让ARM感到紧张，而ARM公司迅速删除了它之前发布的一个网页表明，情况可能确实如此。”

RISC-V最适合的领域

对于一些工程团队而言，使用基于RISC-V的处理器实现定制的承诺是很有吸引力的，许多人正在使用RISC-V来取代内部的专用加速器，这样他们就可以利用软件生态系统，因为RISC-V具有高度可扩展性。Kelf指出，这些加速器通常对用户是隐藏的，而ARM内核是暴露给软件开发人员的。

Microsemi公司的Marena以Western Digital为例，说道：“他们想要一种特殊的总线和接口。对于他们的情况，则需要一些超出标准化架构的东西。处理器在很多方面都做得很好，但有些事情它们做得不太好。所以，当你寻求特殊功能，想要下一级别的创新的时候，RISC-V便有了用武之地。”

在硬件安全方面也是如此。人们通常认为开源硬件是更安全的，因为它是由更多的人为更多的终端应用开发的。

Rambus公司首席技术官Martin Scott表示：“物联网是非常危险的生态系统，需要保护。从芯片到云，以及中间的任何地方，都存在漏洞。设计中可能存在固有漏洞，这些漏洞连接到不安全的临时全球网络和软件栈。有很多不同的流程（包括业务流程和安全流程）都需要管理，没有中央机构或中央标准。”

斯科特说，有一些实用的方法来处理硬件安全问题，例如使用安全层。但他补充说，开源的一个关键优势在于，人们能够共享关于漏洞在何处出现以及如何解决这些漏洞的信息。“我们使用RISC-V的原因是，我们可以操作ISA以保证安全。这非常重要。微架构的实现和架构本身一样重要，因为从旁路攻击的角度来看，以不同方式完成的等效功能实现可能会产生非常不同的安全问题。”

这正是RISC-V目前正在寻找用武之地的领域。ARM公司嵌入式和汽车战略副总裁Tim Whitfield指出，器件正在向更异构化的方向转变，专用处理器也是如此。“通用的计算方式会变化吗RISC-V围绕该答案所做的创新是好的。专家们一直在深度嵌入式领域使用RISC-V，它正在取代执行非常专业任务的专用内核。这意义重大，因为你可以灵活地操作架构，去做一些琐碎的工作，构建接口。这是目前RISC-V非常适合的地方。”

但UltraSoC首席执行官Rupert Baines表示，考虑到企业在代码、指令集和架构方面的巨额投资，RISC-V还可能通过专有架构获得青睐。“另一个方面是临界质量，开发维持低于临界点（critical mass）的东西可能非常昂贵。对于像英伟达这样的公司，他们有自己完全定制的东西，现在他们已经拥有了RISC-V。他们受益于所有的工具和编译器，这仍然是他们自己的定制，但他们只是降低了开发成本，因为他们可以利用其他的一切。”

Baines说，Andes和Codasip等其他公司正在提供基于RISC-V的内核，并且保持其业务模式不变——它们授权使用内核和开发环境，但由于他们使用通用ISA，所以它们可以利用世界其他地方的投资，达到临界点（critical mass）。

基于RISC-V的处理器已经与SoC中的ARM处理器并驾齐驱，Whitfield希望这种情况能像其他架构一样继续下去。“其他架构已经存在，并将永久存在，无论是提供了人们所需要的类似的架构灵活性的Tensilica，还是RISC-V处理器。它们都与ARM应用处理器和ARM嵌入式处理器共存。”

Davidmann 表示，实际上，大多数不只有一个核心的SoC往往拥有较大的多核应用处理器（如Arm或MIPS）运行主操作系统，如Linux；周围有较小的“minion”处理器（如Andes或其他RISC）运行RTOS和其他内核，或是裸机，以加速应用的性能。

Whitfield补充道：“你必须记住RISC-V是一个架构，到头来就是一张纸。Andes、Codasip，以及其他公司将建立一个微架构。这既昂贵又困难。ARM不仅仅是CPU架构，还是一家IP公司和一个系统解决方案软件生态系统。所以，我们可以共存，这是一种“赢家通吃”的死亡竞赛——这绝对不是零和游戏。其他架构一直都有空间。在有技术意义的地方，我看到了深度嵌入的专有类型。也许将来会有别的东西。ARM没有理由不以某种方式复制同样的优点。处理器可能会有不同的未来，ARM必须开发不同的IP来填补这个空白。”

缺少的东西

为了使RISC-V在商业基础上真正起飞，我们需要工具和软件，以及未来SoC设计在处理器ISA、IP供应商和软件栈方面将越来越异构的理解。

Davidmann表示：“行业需要新的先进工具来建模、模拟、移植软件、开发和调试新软件。验证这些新型异质多核系统的正确运行将是未来的核查预算中的很大一部分。”

Mentor事业部的Hand表示：“还需要一种一致的方法来测试基于RISC-V的处理器的合规性，不包括扩展，并对包含一些RISC-V技术的系统进行功能验证。”

Breker公司的Kelf指出，最大的问题之一是开放式指令集架构与开源核心或软件工具之间的混淆。“RISC-V是一个开放的ISA，但这并不一定意味着开源实现。这就导致了一些问题，例如个体实现是否符合ISA标准，因此，验证是一个大问题，尤其是当ISA被扩展时。确实有内核、软件工具和RISC-V的其他方面的开源实现，但这些功能的商业准备是否成熟还存在疑问。人们需要更多的商业产品，而这些产品具有很强的鲁棒性，公司完全会冒险使用它们的SoC。当然，SiFive是开发更强大实现的公司之一。”

对此，SiFive认为，开发复杂芯片的成本很高，这对芯片行业而言是不健康的。

SiFive公司首席执行官Naveed Sherwani表示：“这一切都关乎半导体业务的生存。如果开源是一个栈，你可以免费使用任何可用的东西，而且可以随时购买一个更好的版本。但这意味着你可以基于开源组件构建原型。构建芯片所需的所有IP都是免费的。如果你的芯片投入生产，那么你就得支付IP的费用，无论价格贵贱。现在你所做的就是降低生产原型的成本。开发芯片的成本很高，没有风险投资公司会资助，也没有年轻人会尝试。如果今天的成本是1000万美元，我希望看到它变成100万美元。这包括所有IP、所有SerDes、所有DDR控制器。 这就是目标，就是硬件开源的意义。”

软件的挑战

异构系统也面临着软件方面的挑战，这些问题尚未得到解决。

Baines表示：“从历史上看，在异构系统中，大多数工具都是为了应对开放式架构而设计的，所以你最终得到了一系列孤岛，然后就会在各种不兼容环境之间切换，每个环境都是特定的。”

这不仅限于RISC-V。Whitfield表示：“在不同的架构中，有GPU和视频加速器以及各种加速部件，这对软件而言是个问题。我们看到的许多内容都是深度嵌入式应用，它们有自己的生态系统，或者没有开放的可编程性。我认为我们还没见过有两个应用处理器的世界，也没见过可编程的特定的加速器，旁边带着一个ARM芯片。”

Baines认为这些系统确实存在，但表示它的规范案例一直是应用处理器和某种调制解调器芯片中的DSP。“调制解调芯片一直都有这种架构，而且一直都非常困难，因为你有一个ARM和一个CEVA，调试这种组合很困难。”

这就解释了为什么唯一真正的粗粒度卸载引擎一直是图形和视频，因为它们能够发展自己的生态系统，并且有单独的引擎支持它的优点。Whitfield 表示：“我们在AI中看到了这一点，我们开始看到神经网络加速器和整个生态系统，所以这将是另一个粗粒度卸载引擎。利用RISC-V所提供的细粒度材料，我们将非常有趣地看到，世界是否真的需要它走向大众市场。你已经在Tensilica和ARC中见过了，有些人需要这种专业化，但大部分都来自GPU。你离开CPU通用计算，进入加速器，然后得到一个架构修订版，修订版说因为生态系统的问题，会加入一些东西使它成为通用架构。如果你将其重新构建到架构中，则可以更轻松地完成。直到现在都是这样。不过，摩尔定律总会终结，只有少数几个特定领域的架构会保留下来。这会发生吗？”

Mentor事业部的Hand对此表示赞同：“软件方面总是个问题。每个核心都有不同的工具链，因此使用这些系统并管理跨系统部分的任务非常复杂。如果许多专有加速器被基于RISC-V的加速器取代，那么这将有助于创建一个共同的生态系统。今天的情况并非如此，因为每个RISC-V供应商都有自己对工具链的定义。”

验证问题

另一项挑战是如何模拟和调试这些系统。Davidmann表示：“如果你从你的IP提供商那里获得工具，这些工具可以很好地工作在他们的IP上，但在试图让它与其他供应商的IP协同工作时，往往会出现问题。要为包含来自各种IP供应商客户的IP的SoC开发软件，你需要确保它们的模型、模拟器、调试、验证、分析，以及分析工具可以与许多供应商和许多ISA协同工作。”

对于现在想要采用RISC-V的用户而言，选择是有限的。随着IP和工具提供商开发出解决方案，情况将发生变化。

Baines表示：“外设、硬件、一些工具和生态系统正在发生变化，这取决于你采用的时间有多早，在这方面是否适应，或者是否要再等6个月，直到它们更成熟。对于深度嵌入式，很多人都说已经非常成熟了。如果你正在设计一个深度嵌入式系统或其他东西，那将是一件非常明智的做法。转向应用处理器和面向客户的Linux类处理器是目前正在开发的技术，因此还不够成熟。”

跨核心协调许多不同的任务，然后在签核之前验证这些任务是至关重要的。Mentor事业部的Hand表示：“这些系统的复杂性正在增加，并伴随着相互依赖的关系。此外，许多新应用涉及到功能安全至关重要的领域。因此，我们不仅需要确保某些功能正常，还需要确保其正常失效（对于大多数设计团队而言，这是一个全新的领域）。”

法律问题

最重要的是，当一个架构被应用到特定的市场时，围绕专利还有很多问题。

Whitfield表示：“有了RISC-V架构，然后才会有微架构的CPU。我感兴趣的是如何从架构到微架构。我认为有三条路线。要么拿一张白纸，自己从头开始设计，这是非常专业的方法。世界上有一些团队能够做到这一点，尤其是当你把它迁移到应用类的时候。你从某个地方获取开源版本，然后修改并使用它。然后是关于代码来源的对话——谁拥有它，它来自哪里，如果你正在谈论功能安全和安全性，那么功能安全就是从规范到实现所要全面了解的东西。‘我正在做需求跟踪，问题很多。’你该如何解决？或者你去第三方IP供应商——Andes或Codasip，然后，模型就与ARM非常相似，他们会为你解决这些问题。但那时，自由的吸引力必然会消失，因为有人投入了大量资金来达到这一点。”

这导致了涉及IP保护和专利侵权的挑战。

Whitfield表示：“从模式的角度来看，架构是干净的，但只要你进入微架构领域，就会有英特尔和高通和ARM，还有很多其他公司，他们自己可能不会去靠近那里。专利巨人花了很多时间来保护我们的合作伙伴，所以这是一个挑战。当你构建一个微架构时，你几乎肯定会在某个地方违反一些微架构模式，此时，专利巨人就会出现。如果你从开源架构中选择了它，或者自己开发了它，谁来保护你呢？”

另一方面，当基于指令集架构的衍生产品数量巨大时，保护IP变得更加困难。

结论

虽然RISC-V继续受到关注，但工具和软件存在缺陷，并且涉及到所有可定制架构的风险。这可能会限制RISC-V在设计中的使用方式和位置，至少在短期内如此。但是足够的市场激励和机会将使RISC-V成为未来几年值得关注的技术，特别是芯片越来越多地利用架构作为提高性能和降低功耗的最佳方式，而不是依赖于相同的处理器越来越密集地实现。