文︱立厷
图︱网络
中国工程院院士倪光南在前不久的第十六届“中国芯”集成电路产业促进大会暨“中国芯”优秀产品征集结果发布仪式上说：“中国的开源界正在实现新的创新突破，逐渐从开源大国向开源强国发展。拥抱开源芯片新潮流，充分利用开源模式，共同推进开源发展，将为构建人类科技命运共同体作出贡献。”
倪光南院士
目前，国内开源领域已经取得长足进展，2018年10月，中国成立了RISC－V产业联盟；2021年2月建立了开源芯片研究院；2021年12月基于RISC－V架构内核开发的芯片实现量产；阿里巴巴也在投入……
在AI（人工智能）、IoT（物联网）、大数据、云计算等新兴信息技术领域，国内基于开源架构的一些产品和解决方案已经推向市场，应用已初见成效。市场上出现了很RISC－V产品，处理器量产应用也已落地，高端处理器方面也一直在摸索和前进。
以开源实现三分天下
众所周知，CPU是计算机系统的中央处理器——运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。作为芯片产业的龙头，CPU在很大程度上引领着芯片产业，对设计人才培养、工艺升级、芯片IP库以及应用生态等环节都有重大的影响，也关系到芯片的生产、测试、封装等环节。近年来，包含处理器的SoC芯片产品的比重已增长到10％以上，这说明芯片架构对芯片产业的影响正在快速增长。
倪光南指出，经过这些年的发展，中国芯片产业已经取得了很大成就，目前市场上已经有多个国产稀缺架构并存，如飞腾、华为、申威、龙芯、海光、兆芯等。“从长远发展看，主流芯片架构具有很强的垄断性，世界上主流CPU由两家美国公司垄断。我国多种CPU架构并存的格局难以取得竞争优势，芯片业最终仍很难摆脱受制于人的局面。”他说。
他介绍说，近年来，通过我国产学研用各界评估和试用后，普遍认为RISC－V架构先进、功能完善，有可能在AI、IoT、大数据、云计算等新一代信息技术领域获得市场优势，从而在未来世界主流CPU架构格局中三分天下有其一。
在开源领域，我国科技人员已经创建了一些开源社区，拥有相当的话语权，甚至一定的主导权。近期中科院软件所、一些高校和企业与团中央的中国光华科技基金会共同策划，发起成立了RISC－V生态专项基金。
倪光南期望能在社会各界的大力支持下，快速形成推进中国RISC－V开源芯片发展的动力，使其成为支撑我国信息技术体系的一块基石。他建议，国家适当聚焦芯片产业，组织调动好开源社区，充分发挥我国举国机制优势、丰富的人才优势和超大规模市场的优势，通过相应的政策引导，快速发展中国芯片产业，摆脱国外垄断，将芯片发展的主动权牢牢掌握在自己手中。
他希望，借助开源的强大生命力，在推动本国科技事业发展的同时，中国的开源界也能实现新的创新突破，逐渐从开源大国向开源强国发展，为世界开源界作出卓越贡献。
开源时代是很好的切入点
在“中国芯”芯片牵引创新发展论坛上，优矽科技总经理王路业现身说法，从芯片创新角度介绍了利用开源指令架构开发通信芯片的情况。
优矽科技王路业
在端到端应用开发过程中，怎样实现更多创新，创造更多的价值呢？他回顾道，十几年前的网通时代，网络通信芯片开始从摩托罗拉PowerPC转向ARM经典的CPU ARM9。不管是PowerPC，还是ARM，网络通信芯片的承载或架构创新都存在一些问题。
他说：“没有办法传承，创新也无从开始。”从处理器技术演进看，从摩托罗拉走到现在的开源开放生态，最明显变化是中国的工程师或中国的自主研发企业终于有机会能够在接下来的10年利用基础IP对定制产品进行传承，实现创新研发。这意味着我们有机会实现深层次的创新和价值创造。
今天，RISC－V带来的机会在于，包括大学院校的老师和学生都可以在架构上做深层次开发，企业也可以利用开源RISC－V架构开发机顶盒等数字产品。
开源RISC－V应用矩阵包括软件定义硬件或端到端应用，如用蓝牙耳机芯片通信协议处理噪声或做环境声音识别，RISC－V的机会或优势体现在代码密度更好，更有竞争力。
他认为，RISC－V成本更低，可配置性更好，甚至中高算力CPU也可以采用RISC－V架构。在网络通信方面，边缘服务器芯片，包括ARM－V7和ARM－V8架构服务器，甚至X6架构服务器，用RISC－V架构也很好。
在ARM服务器芯片的加速控制单元中，美国和欧洲已有系统厂家采用RISC－V架构，在加速深度学习方面很有优势。而小到高速模拟接口，用RISC－V也可以满足功能和性能方面非常强的价值需求。
在通信应用中，确实给开源指令RISC－V这类架构带来了传承和创新机会。这两年，国内出现了很多初创团队，网络通信，特别是5G市场的演进，RISC－V都有很强技术原动力，能够让产业界认真思考国产替代过程中怎样传承和创新。开源，尤其是代码开源时代是一个很好的切入点。
优矽主要为航空航天、科研教育、工业与汽车、通信网络和智能硬件在内垂直应用领域合作伙伴提供软件生态支撑和处理器内核迭代牵引。在国内，软件开源很好的土壤就是软硬结合，包括IP子系统、流程和参考设计。不同于传统方案商的开发模式，拥抱开源会获得很大的成长空间；在资本市场，国内的方案商也获得了一些支持。
他承认，单纯做IP是非常苦的事情，营收天花板比较明显。这个产业链中有很多专业的小而美的企业，从发展趋势讲，端到端应用肯定是RISC－V最大的机会，从核心IP到芯片，再到软硬件系统，很多核心和基础IP可以撬动600倍的市场。所以，RISC－V从底层核心技术开始做的一些传承和创新，能够在提升用户IP自研能力的同时，促进各应用领域的发展。
最重要的是中国企业、中国工程师能够主导开源基础研究平台或合作联盟，这是非常有意义的。RISC－V基金会19个理事单位中近三分之二是中国企业，这是一个很重要的信号。从现在直到2025年，工业领域和通信网络领域是RISC－V很重要的端到端应用定制开发市场，值得深度耕耘。
RISC－V的实践和思考
全志科技产品研发中心总经理黄少锐分享说：“作为一家芯片公司，我们一直在实践和思考RISC－V产品化的问题，特别是结合智能IoT发展趋势，从整个处理器架构和接收点的角度实现创新。”
全志科技黄少锐
他回顾说，半导体行业的发展分为三个阶段，第一阶段是PC与互联网时代，主要架构是英特尔x86和AMD，操作系统以Windows为主，Wintel联盟非常强大；除了英特尔，也诞生了三星、德州仪器等半导体龙头。
第二阶段是移动互联网时代，主要驱动力来自移动互联网通信技术的升级（4G）叠加智能手机市场的迅速扩大。除了Wintel形成的系统与芯片绑定模式，安卓与高通在移动端也形成了强大联盟。芯片产业链中的设计、晶圆制造、设备、材料等均出现了垄断性公司。
第三阶段是5G和AIoT（人工智能物联网）时代，目前半导体产业链各环节整体竞争格局相对稳定，集中度普遍偏高。在当前5G和AI驱动下，下游可穿戴设备与IoT已储备了足够的增长动能，未来随AI、IoT、区块链等技术应用进一步落地，半导体市场份额需求有望进一步增长提升。
黄少锐表示，从IoT产业生态看，手机时代主要处理器架构是ARM，其SoC产品非常多，主要操作系统是ARM和IOS。未来的智联IoT时代，主要是设备端利用云端算力实现互联互通，实际应用非常广泛，也存在比较多弱点。
首先是连接安全性，数据从设备端到云端需要避免传输过程中出现问题，而数据送到云端再反馈到设备端的处理响应一直是一个痛点。未来越来越多的互联会从云端逐渐往边缘侧走，这将是落地发展方向。
从芯片设计定制看，当前芯片的通用模式并不是未来芯片行业发展的主流，因为IoT的应用场景特别多，为了适配这些应用场景，需要很多知识，尤其是随着AI和各行各业的结合，在场景落地时需要考虑各种各样的方法，最终实现一个非常好的配比。
随着AI加速IoT，速率处理也发生了较大的变化，主要变化是原来的数据处理出现了需求不确定的问题，必须挖掘计算和性能，包括探索数据精度分析的模式。另外，计算维度变高了，原来主要是一维、二维数据处理，现在计算维度逐渐加大，需要探索处理器架构不同层次的变形、多层和多核；随着海量数据的出现，也需要更强大的算力来支撑计算。
IoT的差异化和多样化处理需要专门定制化，尤其是涉及应用方案。每个方案都要有非常不一样的特点，除了开放的优点之外，RISC－V还具备支持从IoT到超级计算机的弹性和稳定性，可以基于应用场景需求最大程度满足AIoT的差异化需求，从产品推动市场逐步转向应用推动产品技术的更新。
黄少锐认为，用了RISC－V之后，在用户关系方面可以带来一些收益，从应用场景看，用户特别关心产品的应用表现，包括解码、云识别等。RISC－V的开放特性有机会超越SoC，下探到CPU架构。另外，RISC－V一直关注热点场景应用，也会吸收一些新的东西；而贴近开发者场景的一些用户有能力或机会定义一些产品需求，实现更高效的技术。基于RISC－V架构和多年的积累，包括硬件性能架构和图像处理编解码能力，一些公司可以提供确实可行的行业解决方案和服务。
RISC－V风起免费开源
CPU应用可谓各有千秋，围绕IoT领域的应用也是如此。中科蓝讯产品总监孔繁波分享了RISC－V在蓝牙音频SoC中的应用。
中科蓝讯孔繁波
为什么会这么多人在用RISC－V？事实上，早在2010年RISC－V的开山鼻祖美国伯克利大学就开始了精简指令集架构项目，当时的定位是想以IoT作为切入点，然后再慢慢往高阶发展。发展到今天，RISC－V的几个特点已经非常明显：
第一，完全开源，不收费；第二，架构简单，基本指令集只有40条，规范文档只有145页，特殊架构文档只有91页；第三，操作系统移植非常简单；第四，采用模块化设计，规范包括几个扩展项，CPU也可以不用；第五，工具链完整；第六，开源实现，有很多开源工具链和开源IP支持。
另外，RISC－V的最大特点是小型化、快速和低功耗。对于IoT IC领域，RISC－V的3个特点是：低功耗、低成本和小型化。
孔繁波介绍说：“目前，国内已有很多家公司加入RISC－V基金会。RISC－V正在起风，从今年开始，国内已经有非常多初创公司在用这类芯片。”
蓝讯研发RISC－V已有5年经历，中途有各种各样的迭代，还有相关供应链的问题。RISC－V不是CPU，但可以利用这个开源指令集设计自己的CPU，非常灵活地加载不同的硬件模块，设计自己的总线架构。在设计CPU时，可以使用蓝牙基带连接、音频CODEC、DNN加速、数学运算加速等。除了现在的芯片架构，还有下一代芯片架构，包括RISC－V加浮点运算、加第三方算法等。
与其他CPU对比，孔繁波总结了使用RISC－V核的一些明显不同：
免费开源，可以根据产品碎片化场景做迭代。
CPU指令集很简单，无需为了兼容前期操作系统或用户操作习惯，所以整个芯片负担特别小，CPU的逻辑量很小。其好处在于芯片具有低功耗优势，整体漏电也很变小。功耗不仅影响指令集，还影响工艺制造水平，以及CPU集成的速度，比如1GHz的CPU肯定非常耗电，如果用RISC－V精简指令集做到120MHz速度，功耗就可以非常低。
不用标准总线架构，用自定义架构连接自己设计的硬件模块，可大大提高总线效率，降低芯片成本。
针对DSP应用，RISC－V可以增加DSP扩展指令，在CPU上不断增加需要的硬件模块，包括音频编解码、音效处理、AI智能NN运算等。
高效内存系统结合CPU和软件整体开发，大大减少内存消耗，提高CPU的效率。
孔繁波说，2018年开始做RISC－V时，工具链还不够完善、有bug，编出来的程序会死机；后来经过几个月工具链优化，提升了代码密度，降低了成本。通过5年的经验积累，卖出了15亿颗RISC－V芯片，也证明了RISC－V CPU在国内可行，而且生态也在慢慢发展起来。公司后续的平台布局包括：利用RISC－V CPU对碎片化应用场景很好的适应性，将应用从音频扩展到IoT领域；以RISC－V核心定制不同应用领域的SoC；加强RISC－V辅助DSP开发。
未来：成熟、完善、发展
最近这两年，整个RISC－V领域非常活跃，研究越来越多，产品也像雨后春笋，目前更多是应用处理器的量产应用，而高端处理器的落地案例还是比较少，还处在摸索当中。
RISC－V国际基金会成立以来，对RISC－V生态的推进卓有成效，支撑了CPU设计。未来，还需要繁荣和发展整个生态链的软件和其他配套工具，尤其是比较复杂的语言和应用场景，还要进一步完善。
在RISC－V落地中，还需要规范的配合，特别是产品的安全属性，因为IoT相关产品对安全的要求会越来越重要，规范的定义必须跟上产品研发的节奏。
总之，在RISC－V产业链中，需要协调行业上下游，把RISC－V生态做得更完善，软硬件服务更丰富，才能推进RISC－V生态走向繁荣。
