RISC-V處理器如何成為開源硬件發(fā)展的基石？

今年是Linux內(nèi)核發(fā)布三十周年。二十年前，程序員認(rèn)為Linux只是一種利基技術(shù)，猜測它行不通。然而，利用公眾免費(fèi)發(fā)布的Linux，這一開源代碼催生了數(shù)百個(gè)項(xiàng)目，從而出現(xiàn)了一大批穩(wěn)健且靈活的產(chǎn)品，Linux成為開源軟件發(fā)展的基石。

這種成功是否可以復(fù)制到開源硬件上呢？RISC-V這樣的指令集架構(gòu)（ISA）是否也可以像Linux內(nèi)核作為開源軟件的基礎(chǔ)一樣，成為開源硬件發(fā)展的基石呢？

這個(gè)問題沒有準(zhǔn)確答案。

當(dāng)前的RISC-V是一種開放的架構(gòu)，作為一種標(biāo)準(zhǔn)提供，開發(fā)人員可以自由、靈活、快速地基于它進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但另一方面，硬件更加復(fù)雜，有多層堆棧，因此不像軟件包那樣簡單。

本文對(duì)RISC-V硬件生態(tài)系統(tǒng)的參與者進(jìn)行了調(diào)查，包括OpenHW集團(tuán)、RISC-V International、恩智浦半導(dǎo)體、Andes Technology、英偉達(dá)和西部數(shù)據(jù)，描述了開源軟件的相似性、使用的障礙以及支持社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)的重要性，還探討了開源硬件對(duì)商業(yè)芯片制造商的意義。

質(zhì)量及生態(tài)系統(tǒng)是關(guān)鍵

OpenHW集團(tuán)總裁兼首席執(zhí)行官Rick O‘Connor認(rèn)為RISC-V等同于Linux內(nèi)核，他在接受筆者采訪時(shí)說：“圍繞Linux內(nèi)核，其他開源軟件項(xiàng)目和計(jì)劃如雨后春筍般涌現(xiàn)。RISC-V ISA一開始也跟Linux內(nèi)核一樣，如果說Linux內(nèi)核是20年前的軟件種子，那么RISC-V ISA就是硬件種子?！?/p>

然而采用開源硬件仍然存在障礙?！捌渲幸粋€(gè)障礙是質(zhì)量問題?！監(jiān)’Connor補(bǔ)充道，“如果你在一個(gè)芯片或SoC產(chǎn)量較高的公司工作，肯定不會(huì)把寶押在這個(gè)從網(wǎng)上下載的IP塊上，你不可能直接走進(jìn)老板辦公室，說我們已準(zhǔn)備好使用這個(gè)大學(xué)開發(fā)的酷炫內(nèi)核了，這個(gè)內(nèi)核應(yīng)該用在我們的大批量SoC中?！?/span>

因此，OpenHW集團(tuán)提倡開放的驗(yàn)證流程，“人們可以查看生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到的質(zhì)量并使用其得到的結(jié)果——如果完全自己開發(fā)，他們就應(yīng)該能獲得高產(chǎn)量SoC公司所期望的結(jié)果。”O(jiān)’Connor說。O’Connor還指出了業(yè)界對(duì)RISC-V和RISC-V International的誤解，后者是監(jiān)督內(nèi)核ISA規(guī)范的基金會(huì)，他說：“人們總是誤以為RISC-V International是開發(fā)內(nèi)核的，實(shí)際上它并不是，而是專注于開發(fā)一系列定義指令集架構(gòu)規(guī)范。這些規(guī)范適于各種用途：商業(yè)、開源、閉源、營利或非營利，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)自己擅長的邏輯捕獲語言，用不同的語言編寫?！?/p>

O’Connor強(qiáng)調(diào)OpenHW集團(tuán)不只是開發(fā)RISC-V內(nèi)核。“我們真正專注的是異構(gòu)集群計(jì)算所需的構(gòu)件，用于各種尺寸的SoC。我們將不同類型的內(nèi)核、加速器以及所需的各種模塊匯集在一起。”他表示，“RISC-V ISA在此發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它開拓了一個(gè)創(chuàng)新的領(lǐng)域”。任何人只需下載ISA規(guī)范就可以在設(shè)計(jì)中使用內(nèi)核，而無需與任何人簽署協(xié)議。從這個(gè)角度來看，RISC-V ISA是推動(dòng)RISC-V發(fā)展的關(guān)鍵因素。回想20年前，基于Linux內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)方案非常多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過今天基于RISC-V ISA的實(shí)現(xiàn)方案。硬件行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是，如何才能基于RISC-V持續(xù)提供五至六個(gè)內(nèi)核系列?！?/p>

恩智浦半導(dǎo)體負(fù)責(zé)研發(fā)的軟件工程副總裁Rob Oshana表示，開源硬件的發(fā)展方式與開源軟件幾乎完全相同。從Linux Kernel Archives可以知道，“Linux是成千上萬的開發(fā)人員協(xié)作開發(fā)和使用的實(shí)際源代碼”。

“RISC-V International擁有的是規(guī)范，而不是具體的實(shí)現(xiàn)方案。該規(guī)范是經(jīng)過開發(fā)人員通力協(xié)作制定的，在當(dāng)前的RISC-V社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)下工作良好?！監(jiān)shana說，“基金會(huì)現(xiàn)在還沒有開放的實(shí)施方案，OpenHW集團(tuán)正在填補(bǔ)這一空白，以開發(fā)免費(fèi)、開放、免版權(quán)的實(shí)施方案以及其他類似Linux基金會(huì)的擔(dān)保?！?/span>

RISC-V需要社區(qū)支持，不僅僅是規(guī)范

隨著開源從軟件擴(kuò)展到硬件，越來越需要社區(qū)或相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)?！叭魏我粋€(gè)開放的社區(qū)都需要培養(yǎng)、呵護(hù)與供給。隨便扔點(diǎn)東西進(jìn)Git就稱其為“開放”，這樣注定會(huì)失敗。它需要一個(gè)社區(qū)。

“如果不是經(jīng)過社區(qū)的努力，構(gòu)建了內(nèi)核、板子、軟件和參考平臺(tái)，OpenHW集團(tuán)的內(nèi)核不會(huì)成功?！監(jiān)shana補(bǔ)充說，“OpenHW集團(tuán)正通過最好的實(shí)踐來使這一硬件技術(shù)獲得成功，關(guān)鍵在于如何利用最佳實(shí)踐并持續(xù)投資實(shí)際工程，以保持硬件開發(fā)的成功?！?/p>

與此同時(shí)，開源工具也在不斷發(fā)展。“我們需要一套可靠的硬件工具來支持，”O(jiān)shana指出。和其他人一樣，他也認(rèn)為真正衡量一個(gè)開放社區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)是參與度。例如，一旦發(fā)布一種實(shí)施方案，關(guān)鍵指標(biāo)就在于用戶社區(qū)如何管理更改需求、修復(fù)錯(cuò)誤等。“這相當(dāng)于Linux的上游，”O(jiān)shana說，“維護(hù)者的角色需要明確。”

RISC-V International的首席技術(shù)官M(fèi)ark Himelstein也強(qiáng)調(diào)了社區(qū)的重要性。“Linux不一定是最好的操作系統(tǒng)，但人們?yōu)槭裁从盟?？因?yàn)橛猩鐓^(qū)和支持。它的魔力就在于主人翁的自豪感?，F(xiàn)在使用Linux很簡單，而我認(rèn)為RISC-V就是硬件的Linux。我相信，再過五到十年，人們也可以毫不費(fèi)力地使用RISC-V?！?/p>

硬件比軟件復(fù)雜

開源硬件和開源軟件的主要區(qū)別在于整個(gè)堆棧的復(fù)雜性。O’Connor說：“看看當(dāng)今生產(chǎn)的絕大部分芯片，其中超過95％采用Verilog工具流程并在相應(yīng)的商業(yè)驗(yàn)證基礎(chǔ)設(shè)施中生產(chǎn)和驗(yàn)證。因此，如果我們想讓別人使用這些內(nèi)核，就要讓它們輕松融入到這種商業(yè)工具流程中。”

SoC供應(yīng)商大多使用SystemVerilog通用驗(yàn)證方法來驗(yàn)證環(huán)境。O’Connor說：“我們不會(huì)讓他們采用不同的方法。如果我們真的想要這些開源代碼塊實(shí)RTL采用，它們就必須能夠融入該工具流程?！?/p>

硬件的物理特性仍然使軟件開發(fā)人員面臨前所未有的問題。O‘Connor指出：“在半導(dǎo)體晶圓廠中，從幾何層面的物理特性來看，秘訣在于晶圓工藝。”他提到了大型節(jié)點(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)中那些令人鼓舞的成果?！艾F(xiàn)在有了晶圓工藝支持、最重要的庫、用于生產(chǎn)GDSII的CAD工具物理層以及掩模技術(shù)本身，還有生產(chǎn)掩模的設(shè)備、用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)的仿真和驗(yàn)證軟件與工具、用于捕獲和綜合設(shè)計(jì)的綜合工具、以及用于這些設(shè)計(jì)的IP。”他解釋說。

“歷經(jīng)數(shù)十年開發(fā)，堆棧中的所有層都包含與各層相關(guān)的豐富的專利組合，層與層之間的聯(lián)系也非常緊密，因此，任何商業(yè)公司都不會(huì)用開源的方案和工具來替換整個(gè)堆棧?！監(jiān)’Connor指出。OpenHW集團(tuán)的創(chuàng)始人曾考慮是否創(chuàng)建專門針對(duì)RISC-V內(nèi)核的生態(tài)系統(tǒng)，但最終決定放棄。O’Connor說，他們的首要目標(biāo)是創(chuàng)建內(nèi)核?！拔覀兊乃妓耄际菫榱私鉀Q開源硬件面臨的挑戰(zhàn)。我們的目標(biāo)是利用通用構(gòu)建塊輕松構(gòu)建異構(gòu)集群，同時(shí)能用自己的秘密武器（圍繞它構(gòu)建的加速器和擴(kuò)展）進(jìn)行量身定制?！?/p>

涉及的工作包括在通用組件上進(jìn)行協(xié)作，并在軟件工具級(jí)別、硬件RTL級(jí)別甚至驗(yàn)證級(jí)別上定義接口點(diǎn)。O’Connor認(rèn)為，“這樣就可以修改一組通用的構(gòu)建塊來添加自定義加速，創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)自有加速器算法的自定義異構(gòu)集群。RISC-V作為一種ISA，我們一開始是在處理器內(nèi)核中采用吸引人的通用構(gòu)建塊，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)還利用最好的商業(yè)工具增強(qiáng)使用者的信心。所以，IP是他們可以信任的?！?/p>

O’Connor預(yù)測很快就會(huì)有開源FPGA，最后還會(huì)有SoC。

RISC-V處理器設(shè)計(jì)浮出水面

基于RISC-V開源硬件的處理器設(shè)計(jì)與開源軟件有所不同：其框架凍結(jié)了指令集架構(gòu)（ISA），使其作為一個(gè)可長期使用的組件。ISA是處理器能讀懂的詞匯表，軟件使用該詞匯表來編寫。采用這種語言對(duì)軟件進(jìn)行編碼，可以告訴處理器應(yīng)該做什么。

任何人都可以使用RISC-V ISA來完成設(shè)計(jì)擴(kuò)展。與開源軟件的共同點(diǎn)是，RISC-V也沒有IP版權(quán)問題，參與者可以共享其設(shè)計(jì)成果。簡而言之，RISC-V允許設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行創(chuàng)新，為他們提供選擇的自由。

SiFive聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席架構(gòu)師Krste Asanovic在CES 2021大會(huì)的小組討論中闡明了RISC-V在開源硬件領(lǐng)域的地位。Asanovic說：“RISC-V不是開源處理器，而是開發(fā)處理器的開放標(biāo)準(zhǔn)?！币虼耍@個(gè)規(guī)范是開放的，任何人都可以利用它進(jìn)行設(shè)計(jì)。這類似于一種微架構(gòu)許可，允許處理器開發(fā)人員完全按照自己的需要進(jìn)行定制，以優(yōu)化處理器設(shè)計(jì)。例如，存儲(chǔ)設(shè)備制造商西部數(shù)據(jù)（Western Digital）針對(duì)固態(tài)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)開發(fā)了自己的控制器處理器，以優(yōu)化與主CPU和閃存之間的控制器接口。

圖：西部數(shù)據(jù)的SweRV Core EL2內(nèi)核可取代片上系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)和其他邏輯功能。

在2020年RISC-V峰會(huì)期間，西部數(shù)據(jù)展示了一款搭載其開源RISC-V SweRV內(nèi)核的閃存控制器，其高級(jí)業(yè)務(wù)總監(jiān)Ted Marena表示，西部數(shù)據(jù)將在開源社區(qū)發(fā)布其RISC-V內(nèi)核。他說：“盡管我們開發(fā)了內(nèi)核，實(shí)際上內(nèi)核并不是真正的秘密武器，圍繞內(nèi)核設(shè)計(jì)的組件才是最重要的，例如與主機(jī)處理器之間的接口?！盡arena補(bǔ)充道，“如何與另一端的閃存進(jìn)行交互可能是真正的差異化優(yōu)勢所在?！睂?nèi)核提供給開源社區(qū)可以吸引其他開發(fā)者作出貢獻(xiàn)，從而完善設(shè)計(jì)。

與此同時(shí)，臺(tái)灣公司Andes也推出了幾款RISC-V處理器，現(xiàn)在已經(jīng)有一些客戶采用了其處理器方案。

除了SK Telecom和Renesas，專注開發(fā)5G基站芯片的初創(chuàng)公司EdgeQ也將使用Andes核心RISC-V許可及定制擴(kuò)展，以提供集成人工智能的可編程開放式5G平臺(tái)。Andes定制擴(kuò)展允許EdgeQ公司設(shè)計(jì)、擴(kuò)展和定制自己的指令集，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前無線基礎(chǔ)架構(gòu)無法滿足的性能、功能和功率特性?！皩?duì)我們而言，RISC-V是用于硬件接口或描述的開源ISA，而非開源內(nèi)核，”Andes總裁Frankwell Lin說，“在RISC-V陣營中，所有公司都是競爭對(duì)手。針對(duì)RISC-V標(biāo)準(zhǔn)，我們是彼此合作的關(guān)系；但在日常業(yè)務(wù)中，我們不得不相互競爭?！?/p>

CPU內(nèi)核選擇

英偉達(dá)和西部數(shù)據(jù)等公司都采用自己的RISC-V內(nèi)核設(shè)計(jì)芯片，有些公司則使用授權(quán)的可配置內(nèi)核。處理器設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)商業(yè)芯片時(shí)，可以從SiFive等公司購買各種授權(quán)的RISC-V內(nèi)核，SiFive之于RISC-V類似Red Hat之于Linux。這是SiFive公司業(yè)務(wù)的重要組成部分，除此之外，SiFive也向工程師提供服務(wù)，幫助他們?cè)O(shè)計(jì)的處理器制造成芯片。

圖：SiFive的E31內(nèi)核針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、存儲(chǔ)和工業(yè)應(yīng)用。

AI芯片制造商Esperanto Technologies總裁兼首席執(zhí)行官Art Swift表示，越來越多的設(shè)計(jì)師在追求不同商業(yè)模式的過程中轉(zhuǎn)向采用RISC-V。不像現(xiàn)有的MCU都是采用同樣的內(nèi)核，RISC-V可讓MCU設(shè)計(jì)廠商有更多的內(nèi)核選擇機(jī)會(huì)?！蹦壳疤峁┥虡I(yè)RISC-V內(nèi)核的廠商至少有七家。

Swift說，現(xiàn)在的專有ISA是由某個(gè)供應(yīng)商管理，客戶只能使用一個(gè)專有ISA，因而處理器設(shè)計(jì)無法滿足特定的行業(yè)需求，除非獲得昂貴的架構(gòu)許可來定制內(nèi)核。而且，現(xiàn)在也不能再轉(zhuǎn)賣內(nèi)核了，因此很少有公司能夠像蘋果那樣負(fù)擔(dān)得起這么高的投資。但RISC-V的架構(gòu)許可是免費(fèi)的，用戶可以設(shè)計(jì)自己的內(nèi)核，也可以選擇開源內(nèi)核。正如Swift指出的那樣，擁有眾多的內(nèi)核選擇對(duì)于面向未來的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

最早采用RISC-V的Esperanto已經(jīng)在單個(gè)芯片中封裝了1000多個(gè)低功耗RISC-V內(nèi)核，以加速其數(shù)據(jù)中心的AI處理。

下一輪計(jì)算革命？

硬件社區(qū)再現(xiàn)了二十年前Linux的發(fā)展過程，初創(chuàng)公司基于RISC-V開放標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)處理器，風(fēng)投則仔細(xì)審查這些芯片新貴。像英偉達(dá)和西部數(shù)據(jù)這樣的大公司也開始大量采用RISC-V。

RISC-V最初只是一個(gè)研究項(xiàng)目，經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)在已成為處理器設(shè)計(jì)的開放標(biāo)準(zhǔn)。正如Swift所指出的那樣，RISC-V不同于過去指令集之間的派別之爭，而是表示創(chuàng)新能力和選擇自由。

隨著RISC-V的迅速發(fā)展，圍繞RISC-V處理器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施和軟件生態(tài)也匯集在一起。RISC-V開放標(biāo)準(zhǔn)健康而充滿活力，它代表了開源硬件的未來，很可能引領(lǐng)下一次計(jì)算革命。
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