車用RISC-V研究：定制化芯片或成未來方向，RISC-V將挑戰(zhàn)ARM

佐思汽研發(fā)布《2024年車用RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)研究報告》。

什么是RISC-V？

RISC-V（Reduced Instruction Set Computing - Five），中文名為第五代精簡指令集。它是一種基于精簡指令集原則的開源指令集架構(gòu)（ISA），可用于設(shè)計和實現(xiàn)處理器芯片和計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。它是全球共識的第三大架構(gòu)，與X86和ARM并列。

其優(yōu)勢主要在于RISC-V的指令集和架構(gòu)是開源免費(fèi)的。其模塊化設(shè)計允許企業(yè)添加、拓展或移除指令集。與之相比，ARM與X86不僅指令集開發(fā)復(fù)雜，且難以獲得修改指令集授權(quán)。

其劣勢主要在于生態(tài)系統(tǒng)相對不夠成熟。相關(guān)的編譯器、開發(fā)工具和軟件開發(fā)環(huán)境（IDE）及其它生態(tài)要素還在發(fā)展。

RISC-V與X86、ARM架構(gòu)對比

來源：RISC-V手冊

RISC-V使芯片定制化更容易

RISC-V采用模塊化 ISA，即由 1 個基本整數(shù)指令集（基本整數(shù)指令集是RISC-V唯一強(qiáng)制要求實現(xiàn)的基礎(chǔ)指令集，其他指令集都是可選的擴(kuò)展模塊） + 多個可選的擴(kuò)展指令集組成。因此可根據(jù)應(yīng)用程序的需求定制CPU。

其定制化優(yōu)勢在于它使設(shè)計人員能夠創(chuàng)建數(shù)千個潛在的定制處理器，從而加快上市時間。處理器IP的通用性還節(jié)省了軟件開發(fā)時間。

RISC-V定制化的主要優(yōu)勢

來源：Codasip

例如，Codasip可為用戶提供基于RISC-V架構(gòu)的處理器IP定制解決方案。該方案包括基礎(chǔ)性的處理器IP和開發(fā)工具Codasip Studio。工程團(tuán)隊能夠針對其項目需求實現(xiàn)硬件和軟件一體化設(shè)計，提升定制化處理器設(shè)計的效率。Codasip還于2023年10月推出了用于定制計算的700系列處理器。借助700系列和Codasip的定制計算，設(shè)計人員可通過在芯片或應(yīng)用層面進(jìn)行優(yōu)化，獲得獨特的收益，同時控制成本。

SiFive也是基于 RISC-V 定制化的半導(dǎo)體企業(yè)。SiFive的主業(yè)是基于RISC-V架構(gòu)幫助企業(yè)定制處理器內(nèi)核。通過其定制化RISC-V半導(dǎo)體產(chǎn)品，幫助IC設(shè)計及系統(tǒng)公司縮短上市時間，減少成本費(fèi)用。

2022年已出貨100億顆，RISC-V向高性能領(lǐng)域拓展

據(jù)RISC-V基金會數(shù)據(jù)，2022年采用RISC-V芯片架構(gòu)的處理器核已出貨100億顆，主要用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。隨著市場需求的增長，RISC-V也開始逐漸走向高性能領(lǐng)域。例如自動駕駛、人工智能、通信、數(shù)據(jù)中心等對算力要求更高的場景。

特斯拉于2021年自研定制化芯片“D1”。D1以RISC-V架構(gòu)ISA為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展，可訓(xùn)練數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的人工智能網(wǎng)絡(luò)。

Mobileye（被Intel收購）也于2022年1月發(fā)布12核RISC-V自動駕駛芯片EyeQ Ultra，其CPU內(nèi)核全部用的是RISC-V。預(yù)計2025年量產(chǎn)。

2023年9月，賽昉科技（StarFive）發(fā)布高性能RISC-V CPU IP——昉·天樞-90（Dubhe-90）。Dubhe-90是Dubhe Max Performance系列旗艦產(chǎn)品，SPECint2006 9.4/GHz，性能比肩ARM Cortex-A76，客戶主要來自于PC、高性能網(wǎng)絡(luò)通訊、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用領(lǐng)域。

RISC-V與Chiplet技術(shù)結(jié)合，降低芯片設(shè)計成本及門檻

為降低芯片設(shè)計成本及門檻，RISC-V處理器開發(fā)公司及研究機(jī)構(gòu)還將RISC-V與Chiplet技術(shù)結(jié)合。

Chiplet，中文叫芯粒，是將特定功能的裸片（die），通過芯片內(nèi)互聯(lián)技術(shù)（die-to-die）實現(xiàn)多個同質(zhì)、異構(gòu)的模塊芯片封裝在一起。Chiplet技術(shù)可將系統(tǒng)級芯片分割成獨立的模塊，進(jìn)行單獨制造，從而改善良率，降低設(shè)計成本。

芯片設(shè)計領(lǐng)域初創(chuàng)公司Ventana Micro Systems于2023年11月推出第二代 Veyron 系列基處理器—Veyron V2。Veyron V2基于RISC-V架構(gòu)處理器開發(fā)，以Chiplet和 IP 的形式進(jìn)行提供。Veyron V2 chiplet采用UCIe chiplet互連，可將處理器上市時間縮短兩年，并將開發(fā)成本降低75%。基于chiplet的解決方案還通過調(diào)整計算、I/O和內(nèi)存的大小來提供更好的單元經(jīng)濟(jì)性。

Ventana將RISC-V與Chiplet技術(shù)結(jié)合

來源：Ventana

芯來科技，作為RISC-V架構(gòu)CPU IP企業(yè)，也在布局Chiplet。2022年11月，芯來科技加入UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，成為UCIe聯(lián)盟新成員。作為中國國內(nèi)首批加入該聯(lián)盟的RISC-V CPU IP企業(yè)。芯來科技將與UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟全球范圍內(nèi)其他成員共同致力于UCIe 1.0版本規(guī)范和下一代UCIe技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究與應(yīng)用，并將開展基于Chiplet互聯(lián)的硬核IP研發(fā)。

2024年1 月 9 日，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所也推出了一種名為“Zhejiang”（浙江）的“大芯片”。采用 Chiplet 設(shè)計，共包括 16 個Chiplets，而每個Chiplet內(nèi)有 16 個 RISC-V 核心，總計 256 核心，且均支持可編程、可重新配置。

國產(chǎn)替代空間大，汽車電子市場有望成為RISC-V下一爆發(fā)點

一輛汽車中所使用的半導(dǎo)體器件數(shù)量中，MCU占比約30%。傳統(tǒng)汽車約有50-100個MCU，智能汽車MCU數(shù)量將翻倍。而國產(chǎn)車規(guī)MCU領(lǐng)域市占率不足5% ，國產(chǎn)替代空間較大。

以往車載芯片主要基于ARM架構(gòu)或歐洲一些芯片公司的私有架構(gòu)。RISC-V開放架構(gòu)的出現(xiàn)為國產(chǎn)車載芯片的研發(fā)提供更廣闊的選擇面。其開放性設(shè)計使得汽車芯片廠商可根據(jù)自身的需求進(jìn)行特性布局，從而豐富產(chǎn)品形態(tài)。

近幾年來，已有不少國內(nèi)車規(guī)級MCU廠商選擇RISC-V架構(gòu)來打造自己的MCU，包括武漢二進(jìn)制、國芯科技、凌思微、芯科集成等。

其中，國芯科技將探索RISC-V架構(gòu)在汽車電子中高端MCU芯片中的應(yīng)用。如面向新能源動力域OBC/DC-DC應(yīng)用的CCFC3010PT芯片，這是國芯科技首款基于RISC-V指令架構(gòu)的車規(guī)MCU芯片。同時，將啟動開發(fā)CCFC3009PT芯片，這是面向自駕領(lǐng)域設(shè)計開發(fā)的MCU芯片，主要面向ISP及毫米波雷達(dá)信號的后處理。

芯科集成于2023年8月推出的車規(guī)級MCU CX3288采用32位RISC-V內(nèi)核，符合功能安全I(xiàn)SO26262 ASIL-B的要求，在信息和網(wǎng)絡(luò)安全方面支持SHE（安全硬件擴(kuò)展）、Medium HSM，支持通信加密和安全啟動。并且支持AutoSAR，可提供MCAL和配置工具支持。

國內(nèi)MCU廠商布局車用RISC-V領(lǐng)域

來源：《2024年車用RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)研究報告》

芯科集成推出基于RISC-V的車規(guī)MCU

來源：芯科集成

當(dāng)前汽車軟件和工具鏈仍比較碎片化，若使用 ARM 一個架構(gòu)適用于所有情況，那么從上層軟件廠商和操作系統(tǒng)到應(yīng)用程序廠商都很難找到通用性。相比ARM，RISC-V的定制能力較強(qiáng)，其豐富的延展性可滿足未來汽車電子系統(tǒng)不斷增長的需求；且該架構(gòu)免費(fèi)使用，可降低研發(fā)成本，不受任何專利或版權(quán)制約。因此，汽車電子有望成為RISC-V下一個爆發(fā)點。

面向RISC-V在汽車電子的發(fā)展機(jī)遇，2023年12 月，高通、博世、英飛凌、恩智浦、北歐半導(dǎo)體（Nordic）等五家頭部汽車電子芯片公司共同投資組建了一家專注于 RISC-V 生態(tài)的初創(chuàng)企業(yè) ——Quintauris。公司總部位于德國慕尼黑，CEO 為Alexander Kocher，（此前曾擔(dān)任汽車嵌入式方案供應(yīng)商 Elektrobit 的 CEO 兼總裁，還曾在大陸集團(tuán)、西門子和英飛凌等公司任職）。公司創(chuàng)立初期將重點針對汽車應(yīng)用，隨后逐步擴(kuò)展到移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)芯片等領(lǐng)域。

高通聯(lián)合其他四家企業(yè)成立RISC-V 生態(tài)企業(yè)

來源：Quintauris

但在RISC-V上車方面需面臨兩大挑戰(zhàn)。一是“車規(guī)”認(rèn)證周期長；首先，需通過16949認(rèn)證，芯片需要獲得ACQ-100認(rèn)證，模組需要獲得ACQ-104認(rèn)證，同時還需通過功能安全I(xiàn)SO26262認(rèn)證。二是需建立健全的軟件生態(tài)。包括更廣泛的操作系統(tǒng)和中間件支持，及更多針對特定汽車應(yīng)用的優(yōu)化和驗證。

國內(nèi)主機(jī)廠支持RISC-V發(fā)展，積極與國內(nèi)芯片廠商合作

一些國內(nèi)主機(jī)廠也對RISC-V持歡迎態(tài)度，正積極與國內(nèi)芯片廠商合作。例如東風(fēng)汽車、比亞迪、奇瑞等。

2022年5月，東風(fēng)公司牽頭聯(lián)合中國信科、武漢菱電、武漢理工、華中科大、芯來科技、泰晶科技等8家單位啟動共建“湖北省車規(guī)級芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合體”。

2022年12月，由東風(fēng)汽車旗下基金參投的武漢二進(jìn)制半導(dǎo)體發(fā)布基于RISC-V架構(gòu)的高性能車規(guī)級MCU芯片伏羲2360，采用芯來科技NA900 RISC-V 多核異構(gòu)CPU IP。可用于發(fā)動機(jī)、變速箱、三電控制、ADAS、整車控制等領(lǐng)域。

車規(guī)級MCU芯片伏羲2360

來源：武漢二進(jìn)制半導(dǎo)體

2023年7月，東風(fēng)公司宣布，由其牽頭成立的湖北省車規(guī)級芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合體已實現(xiàn)3款國內(nèi)空白車規(guī)級芯片首次流片（試生產(chǎn)），完成了國內(nèi)首款基于RISC-V指令集架構(gòu)車規(guī)級MCU芯片。

奇瑞也在與國內(nèi)芯片廠商合作，來定義整個RISC-V的測試架構(gòu)，例如在基于RISC-V的客戶端和RISC-V芯片的測試標(biāo)準(zhǔn)，來確保RISC-V芯片的可靠性。除芯片測試之外，奇瑞還基于車規(guī)，如AEC-Q100，進(jìn)行了安全可靠性的測試。

此外，比亞迪與華為合作，雙方在基于RISC-V架構(gòu)的英特爾或高通的芯片上聯(lián)合開展研究。