RISC-V打入主流市場的諸多問題

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來源：semiengineering

RISC-V正進一步打入主流市場，在眾多設計中脫穎而出，並獲得了長期且仍在增長的晶片製造商，工具供應商，大學和代工廠的支持。

在大多數情況下，它被用作一種互補的處理器，而不是其他處理器的替代品，但這在未來可能會改變。

RISC-V對晶片製造商特別具有吸引力的是它的開源本質。

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，可通過伯克利軟體發行許可證下可獲得的，它允許在最小限制的情況下廣泛發行設計。

這對於開發原型的初創公司來說尤其適用，但它也適用於高度特定的應用程式，比如安全協同處理器，因為原始碼可以進行調整。

此外，它在中國等市場表現良好。

在中國，全國都在努力降低半導體貿易逆差，以及這些晶片的IP成本。

大多數支持者都很容易承認，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。

為特定應用程式開發軟體和微架構需要時間，而RISC-V基金會自2015年才成立。

所有這些使得體系結構成為協同處理器的一個有趣的選擇，但並不一定是商業設計中的主要處理元素。

商業設計。

事實上，尚不清楚RISC-V是否會真正取代一些領先的處理器架構。

但它肯定會找到自己的位置，隨著RISC-V架構和軟體的成熟，這個角色只會越來越大。

Microsemi公司FPGA營銷總監、RISC-V基金會發言人泰德•馬雷納(Ted Marena)表示:「當你放眼市場時，x86不會消失，Arm架構也不會消失。

」「考慮RISC-V的方式，以及許多客戶看待這項技術的方式是，這是一種選擇。

它使人們可能需要的某種程度的創新成為可能。

有很多人不需要它，他們可以使用很多選擇。

但對於那些需要更高級別功能的人來說，這就是RISC-V填補空缺的地方。

Arm，MIPS，Synopsys（ARC）和Cadence（Tensilica）已成功推廣了自己的ISA，以及一整套工具和軟體，但他們不鼓勵開放擴展這些架構。

ARM和MIPS以其處理器主導了移動和網絡市場。

此外，每一個都有一個集中的生態系統和作業系統/中間件的偏好。

imperopsys的執行長Simon Davidmann說:「有了Synopsys的ARC和Cadence的Tensilica，他們就鼓勵推廣，並且採用一些方法來幫助用戶解決這個問題。

」「他們在不需要大量生態系統支持的特定音頻和DSP市場上取得了成功。

」

另一方面，他指出，RISC-V的設計是為了進行擴展，而生態系統正在隨著商業工具的發展而成長，以幫助設計和驗證這些擴展。

RISC-V採納者瞄準了AI、機器學習和物聯網等尚未建立OS或中間件首選項的新興市場。

他說，每一種架構都有很多細分市場。

圖1：SiFive的RISC-V Linux體系架構

OneSpin解決方案公司的技術營銷經理Sergio Marchese 表示同意。

「服務公司和EDA供應商有很多機會提供量身定製的解決方案，以適應開放的、可互操作的設計開發框架，工程師可以選擇和選擇一流的解決方案，並無縫地部署它們。

」考慮擁有一個開放的、正式的RISC-V ISA規範的好處，並使用它在硬體實現的簡單和複雜微體系結構的驗證中提供前所未有的嚴格性和自動化。

但是，供應商也將在其所使用的RISC-V生態系統的任何部分，無論是IP、軟體工具還是EDA，通過其解決方案的優點展開競爭。

西門子事業部Mentor設計驗證技術部營銷總監Neil Hand表示：「RISC-V建立方式的美妙之處在於人們可以選擇開拓一個利基市場，或提供直接競爭的解決方案。

玩得好是唯一真正的選擇。

」

並不是每個人都同意。

Breker Verification Systems的首席營銷官戴夫•凱爾夫(Dave Kelf)表示，RISC-V基金會的一些人認為，RISC-V的努力與Arm是直接競爭的。

Kelf說:「如果我們看看RISC-V指令集體系結構相對於Arm和其他商業處理器供應商的開放本質，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在其任何核心業務中的地位。

與Arm相比，RISC-V有一個有趣的優勢，即它能夠擴展指令集，同時仍然使用標準化的工具流程。

這使得它與tTensilica和ARC等可擴展處理器相比更具競爭力，並且取代了內部處理器的工作。

看看目前公司內部的項目，RISC-V正是利用了這些應用程式。

到目前為止，它還沒有直接碰到Arm。

然而，開放ISA的威脅一定會讓Arm公司感到緊張，而Arm公司在迅速刪除它之前發布的一個網頁表明，情況可能確實如此。

RISC-V的最佳工作方式

對於一些工程團隊來說，使用基於RISC-V的處理器實現定製的承諾是很有吸引力的，許多人正在使用RISC-V來取代內部專有的加速器，這樣他們就可以利用軟體生態系統，因為RISC-V具有很高的可擴展性。

他指出，這些加速器通常對用戶是隱藏的，而Arm內核是暴露給軟體開發人員的。

Microsemi的Marena指出Western Digital就是一個例子。

「他們想要一種特殊的總線和接口。

對於他們的情況，他們需要超出標準化架構的東西。

處理器做了很多很好的事情，但有一些事情他們並沒有做得那麼好。

因此，當您需要專業功能，即下一級創新時，這就是RISC-V的用武之地。

」

在硬體安全方面也是如此。

開源硬體被認為是更安全的，因為它是由更多的人為更多的終端應用程式開發的。

Rambus的首席技術官馬丁•斯科特(Martin Scott)表示:「物聯網是一個需要保護的特別危險的生態系統。

」「從晶片到雲，再到中間的任何地方，它都存在漏洞。

設計中可能存在固有的漏洞，這些漏洞連接到不受保護的臨時全球網絡和軟體堆棧。

在商業和安全方面，有許多不同的流程需要進行管理，而且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體安全問題，例如使用安全層。

但他補充說，開源的一個關鍵優勢是能夠共享有關漏洞出現的位置以及如何解決漏洞的信息。

「我們使用RISC-V的原因是我們從一個可以被操縱以確保安全的ISA開始。

這是非常重要的。

微架構的實現和架構本身一樣重要，因為從側面通道的角度來看，不同的等效功能實現可能會有非常不同的安全問題。

」

這就是RISC-V目前正在尋找歸宿的地方。

Arm嵌入式和汽車業務戰略副總裁蒂姆•惠特菲爾德(Tim Whitfield)指出，設備正在向更加異構化的方向轉變，其中包括專門的處理器。

「那種通用的計算方式會有一點變化嗎？RISC-V所帶來的創新是好的。

專家們一直在深入的嵌入式領域中使用RISC-V，是的，它正在取代專有內核，執行非常專業的任務。

這很有意義，因為你可以靈活地操作體系結構，做一些瑣碎的工作，構建接口。

這是一個非常適合現在的地方。

」

但UltraSoC執行長魯珀特•貝恩斯(Rupert Baines)表示，考慮到企業在代碼、指令集和體系結構方面的巨大投資，RISC-V還可能通過專有體系結構獲得青睞。

「另一個方面是臨界質量，這可能是非常昂貴和非常困難的發展支持，保持任何低於 critical mass。

對於像英偉達這樣的公司，他們有自己完全定製的東西，現在他們有了RISC-V。

他們受益於所有的工具和編譯器，這仍然是他們自己的定製，但他們只是降低了開發成本，因為他們可以利用其他一切。

」

Baines說，其他公司如Andes和Codasip等也提供了基於risc - v的內核，並且保持了它們的商業模式一致——它們授權使用內核和開發環境，但因為它們使用了通用ISA，所以它們可以利用世界其他地方的投資，達到 critical mass。

基於RISC-V的處理器已經在SoCs中與Arm處理器並駕齊驅，Whitfield希望這種情況能像其他架構一樣繼續下去。

「其他的體系結構已經存在，而且將永遠存在，無論是Tensilica，在人們需要的時候提供類似的體系結構靈活性，還是RISC-V處理器。

它們與Arm應用處理器或Arm嵌入式處理器共存。

」

實際上，大多數不具有一個核心的SoC往往擁有較大的多核應用處理器（如Arm或MIPS）運行主作業系統，如Linux，使用較小的'minion'處理器（如Andes或其他RISC） Davidmann說，圍繞它們運行RTOS和其他內核或裸機，以加速應用程式的性能。

「你必須記住RISC-V是一個架構」Whitfield補充道。

安德斯和Codasip等公司將建立一個微型架構。

這既昂貴又困難。

Arm不僅僅是一個CPU架構。

它是一個IP公司和一個系統解決方案軟體生態系統。

所以，是的，我們可以共存，這是一種「贏家通吃」的死亡競賽——這絕對不是零和遊戲。

總是有空間讓其他架構發揮作用。

在有技術意義的地方，此刻我看到了深深嵌入其中的私有類型。

也許將來會有別的事情發生。

Arm沒有理由不能以某種方式複製同樣的優點。

Arm可能會有一個不同的未來來處理，Arm必須開發不同的IP來填補這個空白。

缺少了什麼？

要使RISC-V真正在商業基礎上起飛，需要工具和軟體，以及對未來SoC設計在處理器ISA、IP供應商和軟體棧方面將變得越來越異構的理解。

「業界需要新的先進工具來建模，模擬，移植軟體，開發和調試新軟體，」Davidmann說。

「驗證這些新的異構多核系統的正確運行將成為未來驗證預算的重要組成部分。

」

Mentor'公司的Hand表示，還需要一種一致的方法來測試基於RISC-V的處理器的合規性，不包括擴展，並且能夠對包含一些RISC-V技術的系統進行功能驗證。

Breker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體工具之間的混淆。

「RISC-V是一個開放的ISA，但這並不一定意味著開源實現。

這導致了諸如單個實現符合ISA標準等領域的問題，因此，驗證是一個大問題 - 尤其是在ISA擴展時。

確實有內核、軟體工具和ria - v的其他方面的開源實現，但這些功能的商業準備是否成熟還存在疑問。

需要更多的商業產品，這些產品足夠強大，公司可以冒險使用它們的soc。

當然，SiFive是正在開發更強大實現功能的公司之一。

」

SiFive認為，如今開發複雜晶片的成本如此之高，以至於它對晶片行業來說是不健康的。

SiFive的執行長納維德•謝瓦尼(Naveed Sherwani)表示:「這一切都關乎半導體業務的生存。

」如果開源是一個堆棧，你可以使用任何可以免費獲得的東西，而且你總是可以給自己買一個更好的版本。

但這意味著你可以建立一個基於開源組件的原型。

建造一個晶片所需的所有IP都是免費的。

如果你的晶片投入生產，無論IP的價格是多少，你都要付出代價。

現在你所做的就是降低生產原型的成本。

開發一種晶片的成本如此之高，以至於沒有風投公司會資助它，也沒有年輕人會去嘗試。

如果今天的成本是1000萬美元，我希望是100萬美元。

這包括所有IP，所有SerDes，所有DDR控制器。

這就是目標。

這就是硬體開源的含義。

軟體的挑戰

異構系統也面臨著軟體方面的挑戰，這些挑戰還有待解決。

Baines說:「從歷史上看，在異構系統中，問題是大多數的工具都是設計來處理開放的體系結構的，所以你最終得到的是一系列孤島，然後你在不同的不兼容的環境中切換，而每個環境都是特定的。

」

這不僅僅局限於RISC-V。

「在不同的體系結構中有GPU和視頻加速器以及各種加速部件，這對軟體來說是個問題，」Whitfield說。

「我們看到的很多都是深度嵌入的應用程式，它們有自己的生態系統，或者沒有開放的可編程性。

我認為我們還沒有看到一個世界，你有兩個應用處理器，或者我們看到一個帶有可編程加速器的特定加速器，旁邊有一個Arm晶片。

「

Baines認為這些系統確實存在，但表示它的規範案例一直是應用處理器和某種基帶晶片中的DSP。

「基帶晶片一直都有這種架構，而且它總是非常困難，因為你有一個Arm和一個CEVA，調試這個組合很困難。

」

這就解釋了為什麼唯一真正的粗粒度卸載引擎一直存在的是圖形和視頻，在這些引擎中，它們能夠發展自己的生態系統，並且有一個單獨的引擎來支持這一點有足夠的好處。

「我們在人工智慧中看到了這一點，」惠特菲爾德說。

「我們開始看到神經網絡加速器和整個生態系統，因此這將成為另一個粗粒度的卸載引擎。

RISC-V能夠提供細粒度的東西，我們將非常有趣地看到，世界是否真的需要它在大眾市場的意義上。

你已經在Tensilica和ARC中看到了它，有些人需要這種專業化，但大部分都來自GPU。

你離開CPU的通用計算，進入加速器，然後有一個架構修訂說，因為生態系統的問題，我們會加入一些東西使它成為通用的。

如果你將其重新構建到體系結構中，就會變得更容易。

一直到現在都是這樣。

不過，摩爾定律也有個結尾，只是有一些特定領域的架構。

它會發生嗎?難道這不會發生嗎?」

Mentor 公司Hand表示：「軟體方面一直是個問題。

每個核心都有不同的工具鏈，因此使用這些系統和管理系統各個部分的任務非常複雜。

如果許多專有的加速器被基於RISC-V的加速器所取代，這將有助於創建一個共同的生態系統。

但如今情況並非如此，因為每個RISC-V供應商都有自己的工具鏈定義。

驗證問題

另一個挑戰是如何模擬和調試這些系統。

Davidmann說:「如果你從你的IP供應商那裡得到工具，這些工具可以很好地工作在他們的IP上，但是當你試圖讓它與其他供應商的IP一起工作時，往往會有不足之處。

」「要為集成來自不同IP供應商客戶的IP的SoC開發軟體，你需要確保他們的模型、模擬器、調試、驗證、分析和分析工具能夠與許多供應商和許多ISA一起工作。

」

對於現在想要採用RISC-V的用戶來說，選擇是有限的。

隨著IP和工具提供商開發解決方案，這種情況將會改變。

貝恩斯說:「外設、硬體、一些工具和生態系統正在發生變化，這取決於你在多大程度上是一個早期採用者，你在這方面有多適應，或者你是否打算再等六個月，直到它們變得更加成熟。

」「對於深度嵌入，很多人會說這是相當成熟的。

如果你在設計一個深度嵌入式系統或其他什麼東西，這將是一個非常明智的做法。

轉向應用程式處理器，轉向面向客戶的Linux類處理器，這是目前正在開發的，因此還不夠成熟。

跨核心協調許多不同的任務，然後在簽署之前驗證這些任務是至關重要的。

Hand 表示:「這些系統的複雜性正在增加，隨之而來的是相互依賴。

」此外，許多新應用都涉及到功能安全是關鍵的領域。

因此，我們不僅需要確保某些東西能正確工作，而且還需要確保它能正確失敗(對於大多數設計團隊來說，這是一個全新的領域)。

」

法律問題

最重要的是，當一個架構被應用到一個特定的市場時，圍繞著專利還有很多問題。

「有RISC-V，這是一種架構，還有微架構cpu，」Whitfield說。

我感興趣的是如何從架構到微架構。

我認為有三種途徑。

你要麼拿一張紙，自己設計，碾碎，這是相當專業的。

世界上有一些團隊能夠做到這一點，尤其是當你把它轉移到應用類的時候。

你從某個地方獲得一個開源版本，然後對其進行修改和使用。

然後是關於代碼來源的對話——誰擁有它，它從哪裡來?如果你正在討論功能安全性和安全性，那麼功能安全性就是從規範到實現的全部知識。

「我在做需求跟蹤，我擁有一切。

」「你是怎麼克服的?」或者你去第三方的IP供應商，一個Andes或者一個代碼庫(codasip)，然後這是一個和Arm非常相似的模型，他們會幫你解決這些問題。

但是在那一點上，自由吸引力必須消失因為有人投入了大量的錢來達到那個點。

這導致了涉及智慧財產權保護和專利侵權的挑戰。

「從模式的角度來看，架構是乾淨的，但是一旦你進入那個微體系結構空間，就會有Intels, Qualcomms和Arms，以及許多其他的人，他們自己可能不會去接近它，」Whitfield說。

「專利流氓花了很多時間來保護我們的合作夥伴，所以這是一個挑戰。

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，並且在某個時候會出現一個專利流氓。

如果你是從開源中挑選出來的，或者你是自己推出的，誰會向你索賠？」

另一方面，當基於指令集體系結構的衍生品數量巨大時，保護IP變得更加困難。

結論

雖然RISC-V繼續獲得青睞，但在工具和軟體方面仍存在缺陷，而且涉及任何可定製架構的風險。

這可能會限制在設計中使用RISC-V的方式和位置，至少在短期內是這樣。

但是，有足夠的市場激勵和機會，將使這一技術在未來幾年成為值得關注的有趣技術，尤其是在晶片世界越來越多地利用體系結構作為提高性能和降低功耗的最佳方式，而不是依賴于越來越密集的實現相同的處理器。

原文連結：https://semiengineering.com/risc-v-inches-toward-the-center/

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