平头哥半导体副总裁孟建熠专访:揭开玄铁RISC-V处理器开源背后的秘密

10月19日,在2021云栖大会上,阿里云智能总裁、达摩院院长张建锋宣布旗下平头哥半导体自研的四款玄铁RISC-V系列处理器开源,并开放系列工具及系统软件,引发了业界的极大关注。

芯智讯在会后对平头哥半导体副总裁孟建熠进行了专访,揭开了阿里及平头哥半导体对于RISC-V生态的深度布局与发展愿景。

RISC-V已是大势所趋

2025年RISC-V CPU内核出货量将达624亿个

虽然目前在PC及服务器市场X86架构一家独大,在移动市场Arm架构一统江湖,但是他们都是属于封闭的架构系统。而且X86架构主要掌握在英特尔和AMD手中,并不对外授权。Arm虽然对外提供其内核IP授权,但是对于下游的芯片开发商来说,开发Arm芯片的难度并不小、开发的成本也比较高,而且在开发当中并不能根据需要对Arm IP核进行任何修改,缺乏足够的自由度和灵活度。这对于需求非常碎片化、对功耗、成本也更为敏感的物联网市场来说,并不友好。

相比X86和Arm的封闭架构来说,RISC-V架构则是完全开放的,具有指令精简、模块化、可扩展、开源等众多优点,任何人都可以不受限的基于RISC-V指令集来做开发。

特别是近年来,国内对于核心芯片的自主可控需求越来越高,在此背景之下,符合国内自主可控要求的开源的RISC-V架构开始大受国内厂商的欢迎。

目前国内像平头哥半导体、兆易创新、华米科技、赛昉科技、芯来科技等众多半导体厂商都有推出基于RISC-V架构的芯片或IP。此外,还有更多的中国半导体厂商正在积极的基于RISC-V架构进行相关的研发。

根据RISC-V基金会的数据显示,目前其会员已有超过2000家,覆盖了70个国家。而在此之前的2018年,则只有不到200家左右的会员,足见RISC-V近几年发展之迅猛。这也与中国厂商的大力支持密不可分。

目前,在RISC-V基金会仅有的14家最高级别的会员当中,中国厂商就占据了9家。包括阿里巴巴(平头哥半导体)、华为、中兴、赛昉科技、紫光展锐、西姆计算、中国科学院软件研究所(ISCAS)、中科院计算所(ICT)、成为资本。另外,在RISC-V基金会的战略会员中,中国厂商也是非常之很多。

在中国厂商的追捧之下,RISC-V生态开始加速繁荣,这也吸引了越来越多的国际一线大厂也开始加入或进行相关布局。

比如,机械硬盘大厂西部数据和希捷都推出了自研的RISC-V处理器;知名的RISC-V CPU IP提供商SiFive近两年累计获得了超1亿美元的投资,投资者包括高通、SK海力士、西部数据等大厂。今年6月,业内还传出消息称,英特尔将以20亿美元收购SiFive;甚至连MIPS指令集的持有者Wave Computing(在破产重组后改名MIPS)也在今年初宣布,今后将不再设计MIPS 处理器,开始转向基于RISC-V 的芯片。

根据Semico Research预测,到2025年,RISC-V CPU内核的出货量将达到624亿个,2018-2025年复合年增长率高达146.2%。其中在工业领域将以167亿个核心的出货量居于领先位置。

加速RISC-V生态繁荣

阿里平头哥开源玄铁系列处理器

虽然RISC-V指令集是开源的,任何人都能够轻松的获得RISC-V指令集来做开发,但是从拿到RISC-V指令集,到开发出可用的自研CPU仍需要投入不少的人力、物力和资金进行研发。这就好比造房子,即使有人给你提供免费的水泥和砖头,但并不代表就一定能够造出坚固耐用且美观的房子。

因此,在RISC-V生态当中,也有着很多专门提供基于RISC-V架构的CPU IP核设计的厂商,其扮演角色类似于Arm,主要是向第三方的芯片设计厂商授权基于RISC-V架构的CPU IP核,芯片设计厂商可以基于这些IP核,结合其他相关IP,就能够快速搭建出符合自己需求的芯片设计,这有点像跟开发商买毛坯房,不需要头到尾自己来一砖一瓦的来建造,自己只需要进行户型选择与内部装修设计即可。

比如前面提到的平头哥半导体、SiFive、芯来科技等都是RISC-V CPU IP核提供商。他们向客户提供RISC-V CPU IP核授权或相关设计服务。

自2019年7月25日,在[2019 阿里云峰会]正式发布了号称业界最强的高性能RISC-V处理器——玄铁910之后,平头哥近两年又陆续推出了玄铁902、906、907等多款RISC-V CPU IP,覆盖了从低功耗到高性能的各类场景,支持AliOS、FreeRTOS、RT-Thread、Linux、Android等操作系统,并已成功应用于微控制器、工业控制、智能家电、智能电网、图像处理、人工智能、多媒体和汽车电子等领域。

据最新公布的数据显示,目前平头哥玄铁系列处理器出货已超25亿颗,拥有150余家客户、超500个授权数。

为什么在玄铁系列处理器蓬勃发展之时,平头哥却主动打破行业的商业模式,将旗下玄铁E902、E906、C906、C910等4款量产处理器IP,以及基于玄铁的多操作系统的全栈软件及工具进行开源呢?

平头哥半导体副总裁孟建熠告诉芯智讯:[对于RISC-V这种开放型的架构,需要新的相比传统授权更加开放模式,才能更好的支持创新。通过我们过去几年的发展,我们也感觉到,我们自己来推动RISC-V这个架构的力量还是远远不够的。所以我们希望今天把它开放出来之后,让大家能够在这个上面做自己软硬件的适配,有助于RISC-V架构往更深层次的创新演进,给整个产业带来更大的收益。]

在半导体IP公司中,除了Synopsys、Arm等头部厂商之外,想要赚钱本身就很不容易,更何况是基于免费开源的RISC-V来做IP。对平头哥来说,单纯IP授权业务本身也并不能覆盖团队成本。

但是,IP却又是半导体行业非常重要的环节,他可以降低行业的创新门槛,帮助大家降低芯片开发的难度和成本。这对于推动RISC-V生态的繁荣起着非常重要的作用。因此,这也是阿里切入半导体领域之后,首先布局的一环。

孟建熠坦言:[对于普通的一家IP公司来说,所有的回报都需要从IP授权来。但对于整个阿里体系来说,我们则需要从整个云端一体的大生态来看。我们认为就开源玄铁处理器有利于这个大生态,我们就会开源。投入不是问题,我们现在投入那么大,所以也不会以传统IP厂商的思维来考虑。阿里有着强大的生态基因,很多事情是从塑造和影响生态作为出发点考虑的。我们的生态就需要更多定制化的、普惠的芯片,进一步推动云端一体的生态繁荣。]

据了解,开源的玄铁RISC-V CPU虽然默认是面向阿里的AliOS进行优化,但是也会对市面上主流的FreeRTOS、RT-Thread、Linux、Android进行支持。因此,开发者也可以自己自由选择。

孟建熠强调,玄铁CPU的开源,并不单单是为了阿里本身,而更多的是为了整个社会和RISC-V生态的基础设施的完善。

[我们首先考虑的是RISC-V怎样做的更加完善,因为要有更多人来做这件事情,把创新成本降的更低。然后等整个架构成熟的时候,自然而然会有更多的OS服务方面的需求,从这个赛道里跑出来。我想等到整个生态成熟的时候,阿里一定会是这个生态的受益者之一。]孟建熠向芯智讯解释道。

那么,平头哥玄铁RISC-V的开源,是否会对SiFive、芯来等RISC-V CPU IP厂商带来冲击呢?

在孟建熠看来,在RISC-V的领域,开源的CUP核已经不是稀缺资源,目前RISC-V网站上就已经有了110多款CPU核,很多是开源的。所以,SiFive这些厂商一直都面临着开源RISC-V CPU核的竞争。同时,他们也面临着其他设计能力更强的RISC-V CPU IP厂商的竞争。但是大家都是在共同推动RISC-V生态的发展,为RISC-V贡献开源代码,存在着既竞争又合作的关系。这就是RISC-V生态。

同样,即便平头哥的开源了玄铁CPU,也会面临着其他开源CPU的竞争。

[如何让这些开源的核具有稳定、可靠和持续演进的能力,推动开源核与开源软件的生态融合,以及如何帮助客户使用这些开源核,真正成功量产才是关键。我们后续会加强提供产品化过程中的服务。]孟建熠说到。

全栈式开源,全面赋能AIoT生态

得益于阿里庞大的生态体系的支持,在涉足RISC-V CPU IP核领域之初,阿里似乎就已经计划将其RISC-V CPU IP核及相关设计进行开源,以最大程度的赋能整个AIoT生态。

在2019年阿里平头哥正式发布首款RISC-V处理器玄铁910之时,阿里巴巴集团副总裁戚肖宁博士就表示:[传统通用芯片的模式越来越难适应碎片化AIoT场景的需求,开源、开放是大势所趋,平头哥致力于做AIoT时代的芯片基础设施提供者,降低企业设计芯片的门槛,让芯片更普惠。]

当时阿里还宣布了[普惠芯片]计划。即平头哥将全面开放玄铁910的IP Core,全球开发者可以免费下载该处理器的代码(当时开放的是FPGA代码),在其基础上快速开展芯片原型设计和架构创新。

随后,为了加速基于玄铁CPU核的芯片开发设计,2019年8月,平头哥半导体发布了面向AIoT时代的一站式芯片设计平台[无剑],提供集芯片架构、基础软件、算法与开发工具于一体的整体解决方案,能够帮助芯片设计企业将设计成本降低50%,设计周期压缩50%。

2019年10月21日,在第六届乌镇互联网大会上,平头哥半导体又宣布,正式开源基于RISC-V架构的低功耗微控制芯片(MCU)设计平台。

2021年5月29日,在2021阿里云峰会上,平头哥半导体推出三款RISC-V开发板,分别基于玄铁910、C906、E906处理器,适用于高性能、高能效、低功耗场景,可支持Android、Linux、AliOS Things等操作系统,解决了RISC-V生态的配套软硬件及工具的稀缺问题,进一步满足开发者和企业的需求。

随着此次平头哥宣布开源玄铁E902、E906、C906、C910等4款量产处理器IP,以及基于玄铁的多操作系统的全栈软件及工具。

至此,平头哥用三年多的时间,完成了从玄铁RISC-V CPU IP核、到基于玄铁的MCU设计平台、到基于玄铁CPU的开发板、再到开源EDA工具及系统软件的全栈式开源,围绕RISC-V生态全链条的全面开放、透明和普惠,实现了阿里最初既定的目标。

在此次云栖大会上,阿里云智能总裁、达摩院院长张建锋还宣布,[未来,我们将开源更多RISC-V处理器,也希望有更多的合作伙伴,在玄铁基础上研发出更多有价值的IP核和基础软件,共同构建开放、透明和普惠的RISC-V生态。]

△在云栖大会期间的<>上,复旦大学教授范益波还透露了其与达摩院联合研发的基于人工智能的XK-ISP后续将会推出开源的ISP IP Core版本。

在访谈当中,孟建熠也向芯智讯进一步透露,除了玄铁RISC-V CPU IP之外,平头哥还会继续在其他一些核心IP上进行研发投入,同时还计划与一些商业IP公司合作,让商业IP公司也针对玄铁RISC-V生态推出开源版本的IP(平头哥也会帮助其去实现硅验证),一起推动开源的发展。

关于RISC-V的未来

由于RISC-V架构的优势就在于非常的精简,具有非常出色的能效比,且免费开源,可定制化程度高,可以方便的进行扩展,综合成本更低,这也使得其更适用于对于定制化功能、能效、成本要求较高的物联网市场。目前RISC-V在物联网市场也已经取得了不错的成绩。

那么接下来,随着RISC-V架构持续演进,以及越来越多的芯片厂商及上下游产业链厂商的加入,RISC-V是否有机会进入移动终端、汽车、PC/服务器等对于性能要求更高的新的市场,与英特尔、Arm等厂商正面竞争呢?

从RISC-V基金会公布的路线图来看,目前RISC-V指令集已经支持64位,支持更多核心,这也使得其性能将得到大幅提升,另外在软件上加强对于Linux系统及AI编译器的支持。

孟建熠也表示,目前性能并不是阻碍RISC-V进入其他市场的瓶颈。其透露,玄铁CPU在12nm下的主频已经可以跑到了2.5GHz,还有一家美国公司的RISC-V CPU甚至可以跑到了5GHz。如果要提升集群性能,那么就是做并行扩展就是了,RISC-V现在最高已经可以做到2048位的位宽了。

[RISC-V要进入其他市场,目前最大的问题是,没有构建出一个上层的软件生态,这个是必须要补的课,补完课之后他还要去创新,才能够有机会。]

在移动端,虽然谷歌一直并未正式提供对开源的 RISC-V ISA 基于硬件的 Android 编译支持,但在今年1月,平头哥已经成功在玄铁RISC-V硬件上运行了安卓系统,并将相关代码进行了开源。这也意味着未来RISC-V后续将有望进入移动市场。

[我们去跑Android的初衷,就是看RISC-V能不能承担浏览器、Java这种交互很强的应用的压力。Android的软件栈很厚,我们需要通过移植他来进一步探索RISC-V架构的完整性和能力的极限。]孟建熠透露:[通过不断的测试和优化,目前已经可以流畅的运行Android系统,跑网页多媒体目前也没有问题,预计在今年年底或明年年初,将会有更好的版本推出来。]

另外,在服务器端,芯片初创企业Esperanto公司去年也推出了自研的单芯片集成了1000多个RISC-V内核的ET-SoC-1处理器,主要面向服务器端的大规模机器学习应用。阿里云面向服务器的飞天操作系统也已全面兼容X86、ARM、RISC-V架构。

我们都知道,RISC-V的优势就是指令精简、可扩展、开源、免费,但是如果未来RISC-V往越来越[重]的方向去做的话,可能会与Arm越来越像,其原有的一些优势可能也将会被弱化。那么届时又该如何去与其竞争呢?

对此,孟建熠认为:[最终要看市场的选择,如果RISC-V在市场上大家选择了它,要进入哪个行业,我觉得它就要具备那种能力。如果说那个市场里面没有需求,就算你进去了,也是没用的。要说RISC-V进入新市场的竞争优势,那就是新架构在新的市场中有望完全走出一条新的路,其全球的并行开发模式能够让RISC-V更快的适应创新。]

作者:芯智讯-浪客剑

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