开放式isa越来越受欢迎

随着芯片制造商开始在其设计中添加更专业的计算元素和更大的灵活性，开放指令集架构开始站稳脚跟，通常与其他处理器结合。

目前有许多这样的开放isa可用，包括Power、MIPS和RISC-V，并且有许多基于这些架构的组合和工具可供销售。让这些在设计中更容易被接受的是，这些架构中的一种或多种可能与Arm、Synopsys、Cadence、Achronix、Flex Logix甚至英特尔的处理器一起包含在芯片中。

有很多原因可以解释为什么开放式isa是有意义的，也有其他原因可以解释为什么它们不是在所有地方都有意义。

“首要动机是如何更快地前进，”史蒂夫·菲尔兹说，IBMIBM电力系统的研究员和总工程师。“我们所有以制造芯片和系统为生的人都花费了大量的时间、精力和金钱来重建同样的东西。如果我正在构建一个ASIC，我必须包括一个内存接口，我必须在它上面放一个控制接口。他们需要的东西太多了，你要么占用工程时间，要么占用资金，或者两者兼而有之。这是每个人都在芯片上添加的东西，无论我是否需要为一块硅片付费，或者我是否可以免费获得它，事实上，我可以得到它，让我的工程师专注于我的特殊技术，这对任何从事开发的人来说都是巨大的价值。”

OpenPOWER处理器启用总监Mendy Furmanek指出，这也相当于与20个不同的IP公司签订20个协议所需的时间。“由于所有这些因素，制造芯片变得非常麻烦。与此同时，我们真的需要创新。这就是[开放ISA]运动迅速发展的原因。我们必须把所有这些障碍都清除掉。这不仅仅是钱的问题。它是关于所有这些事情的。但归根结底，这关乎更快的创新。”

关键是要弄清楚商业在哪里知识产权是需要的，以及不需要的地方。因此，虽然RISC-V在市场上获得了势头，但必须在系统的背景下看待它。系统开发人员需要做一些工作来理解他们得到的究竟是什么。

“RISC-V只是一个开源ISA，商业IP提供商将其实现到IP产品中，然后以行业标准的许可和版税模式销售，”该公司战略副总裁Tim Whitfield表示手臂的汽车和物联网业务。“这些产品的差异化有限，这迫使IP供应商在自己的生态系统内进行价格竞争。事实上，当他们试图进行区分时，很可能会出现软件碎片化的结果，使得围绕ISA形成一个连贯的软件生态系统变得困难。”

Whitfield说RISC-V正在经历一个典型的“炒作周期”。有一段时间，它是一切问题的答案——免费的IP，不受安全问题的影响，可为任何应用程序定制，并免受全球贸易战的影响。

“当然，事实证明有些不同，”他说。“在商业上，RISC-V世界的特点是IP公司通过授权和版税模式提供CPU实现。在商业模式方面，RISC-V与现有的IP提供商几乎没有什么区别，无论是Synopsys和ARC, Cadence和Tensilica，还是Arm。从ISA到处理器IP有一个重要的财务考虑，比如工程、工具、计算的成本，以及相当大的软件需求。RISC-V和任何架构都是一样的。这就是成熟的地方公共工具集的生态系统在SoC设计成本方面是无价的。”

图1:28nm开发的生态系统效益。来源:手臂

尽管如此，开放的isa加剧了竞争格局，这促使每个人都在多个领域进行创新。

“可口可乐需要百事可乐，英特尔绝对需要AMD，”英特尔营销副总裁克里斯·琼斯说Codasip．否则，创新就会受到抑制，消费者就会受到经济损失。对于处理器IP来说尤其如此。到2010年代中期，处理器IP的消费者并没有提供很多消费者选择。由于Arm出色的执行力、收购和/或改变了几家Arm以前的竞争对手的战略重点、一些宏观趋势，以及机缘巧合，Arm得以脱颖而出。”

他认为，这一系列事件伤害了半导体行业的许多人，因为它限制了他们在竞争对手之间的差异化能力，实际上是通过支付专利使用费对他们的利润率征税。

琼斯说:“处理器IP业务非常困难，而且没有真正的挑战者。”当然，并非所有人都是如此。由于Arm的可预测性和稳定性，许多公司都能很好地使用Arm及其产品和模型。所以他们在芯片设计的其他领域选择了差异化，无论是加速器、高速互连、混合信号专业知识等等，并承认处理器核心只是处理器核心。但对于那些试图进入竞争激烈的半导体市场的人来说，与其他人一样授权使用相同的技术并不是一个好的起点。”

此外，公司已经变得对供应商锁定更加敏感，一旦选择了处理器供应商，并且已经为该处理器编写了数百万行软件，切换的成本就变得非常高。

“RISC-V是半导体行业和开源社区共同努力的结果，旨在在市场上建立一种替代架构，以帮助减轻单一供应商市场带来的经济负担，并允许用户通过处理器优化进行区分，同时仍然保留他们的软件投资，避免供应商锁定，”Jones说。“Arm通过扩展Design Start计划来应对RISC-V的生存威胁，包括M3，为FPGA提供免费内核，并提供更吸引人的许可条款．他说，这些业务举措是为了阻止客户在其他地方寻找“入门级”IP，并产生了预期的效果，即对一般嵌入式控制处理施加下行定价压力。

他指出:“Arm在高端应用处理器领域仍然占据着绝对的技术领先地位，无论这种模式可能带来什么经济损失，都可以在高端市场得到补偿。”“但RISC-V的发展势头继续增强，因为即使经济挑战已经部分解决，差异化问题仍然存在。自定义处理器代表了架构和电源效率的下一个合理步骤。RISC-V的模块化架构允许在不破坏软件兼容性的情况下消除无关的逻辑，用户定义的指令也可以被容纳。市场上已经有了广泛的选择，从GitHub上的生产就绪内核，到安第斯和Codasip等公司的RISC-V IP商业供应商。这些选择将继续扩大，尽管肯定不是所有的都能成功。经验丰富的用户可以选择构建自己的RISC-V核心和工具链的微架构实现，可以从头开始，也可以使用来自Synopsys或Codasip等成熟供应商的处理器设计工具。”

把它分解
关于开源isa的讨论通常集中在感知、生态系统和设计方法上。尽管人们通常认为开放的ISA意味着免费的IP，但事实并非如此简单。

“虽然半导体知识产权商业模式已将许可费和版税作为一般原则，但这些实际上是复杂而详细的协议，”高通公司首席执行官西蒙·大卫曼(Simon Davidmann)表示治之软件．“除了涉及的费用，还需要一些努力来建立协议和谈判所有的合同细节。事实上，设计和验证处理器是一项重要的任务。此外，还需要努力开发和维护所需的所有软件和生态系统支持，因此开放式ISA和标准IP业务模式之间的比较不像制造和购买那么简单。”

如果设计或应用程序需要新的和优化的功能，而这些功能目前没有作为IP核提供，那么有几个可用的选项。一种是要求IP供应商为特定用例添加/扩展核心，这可能很昂贵。从头开始构建一个完整的核心甚至更加昂贵，尽管它可以提供最好的功率和性能。第三种选择是选择一个开放ISA，它允许某种程度的自定义。事实上，开放ISA的“自由”部分实际上是关于设计自由的，Davidmann指出。

开源模式在软件领域已经很好地建立起来了。硬件方面的类似方法也开始受到关注，但硬件在设计中要优化起来要困难得多。不过，他指出，如果从商业IP供应商那里获得支持和服务，开放式ISA可能是一个有吸引力的选择，这是有吸引力的增值选项。此外，许多核心提供商还提供解决方案，通过一系列工具和来自不断增长的生态系统的支持来支持自定义优化。

设计方法是这个等式中一个很大的考虑因素，传统知识产权商业模式的选择过程涉及重要的基准测试和评估。此外，交付成果只有在交易结束后才可用。由于事务影响，设计人员更有可能围绕1或2个基本核心选项配置多核设计。

有了开放ISA，评估设计核心的选项可能就像从GitHub下载可交付成果一样简单，多核设计可能基于几乎无限多的核心替代方案、选项和配置。因此，面对对几乎无限种类的内核的即时访问，系统开发人员现在更有可能从应用程序分析开始，确定实际需求，然后考虑最佳可用选择。

Davidmann说:“这对于虚拟平台很有效，它允许在早期设计选项中进行权衡，并自由地对所有可用的内核和配置进行建模。”这种功能规范方法还有助于设计过程的验证和早期软件开发。在过去，IP核可能是早期的核心设计决策。现在，系统设计人员开发一份功能规格书，并根据实际应用需求做出关键决策，而不是一些人为的基准评分。”

感知取决于设备的核心或关键功能的数据表可见性。在某些市场，知名软件支持是关键，突出IP品牌名称是成功的必要条件。强大的用户社区和支持的生态系统是成功采用处理器的标志。

“生态系统从根本上讲是关于效率的，”他补充说。“随着处理器核心的流行，越来越多的开发人员和项目吸引了生态系统投资，以开发工具和解决方案来帮助他们。随着受欢迎程度推动更多的采用，并在更广泛的需求领域吸引更多的解决方案，这就形成了滚雪球效应。最终，生态系统的价值和努力可以是多方面的。关键是软件重用。但这是一种共生关系。处理器上的创新需要不断发展，并包括来自生态系统的支持。这是不能强迫的。有许多硬件创新的例子未能获得生态系统的支持，或将一个细分市场的成功转移到另一个细分市场。与传统的IP方法相比，开放式ISA有一个优势，即虽然它可能没有详细预定义的路线图，但它有一个允许优化和定制的结构。 If the ecosystem can fully support this inherent flexibility, any new hardware should see less barriers to future adoption.”

开放式isa带来的新机遇
对于EDA公司来说，开放isa是一个销售更多使用不同处理器基础设施的工具的机会。但这些开放式isa也改变了与客户之间的一些动态关系，

英特尔IC验证解决方案营销总监Neil Hand表示:“如果你看看构建SoC时必须做出的第一个也是最重要的决定，那就是选择处理器Mentor是西门子旗下的企业．“然后你将构建架构的其余部分，最终使系统启动并运行。但你能做的是有限的。对于RISC-V这样的ISA，就像人们选择Arm处理器一样，一旦他们有了通用的定义，他们就可以在以后选择特定的处理器。在RISC-V的情况下，一旦你有了你的大部分系统，你就可以去基准测试5或10个不同的提供商，看看哪一个能给你最好的性能，考虑到你独特的设计。即使是领先的标准处理器提供商也不可能做到这一点。你无法对Tensilica、MIPS、ARC或其他任何东西进行基准测试，因为你需要改变的基础设施数量不允许你这样做，而在RISC-V的公共基础设施中，你可以这样做。”

还有其他的优势。汉德说:“如果你是一家处理器IP公司，你必须投入大量的精力来把你的整个工具组合在一起，把你的操作系统移植起来，为客户提供指令集模拟器、虚拟模型的EDA基础设施——所有这些都是巨大的。”“你可能比处理器设计本身还要重要。如果你有一个基于ML的RISC-V加速器的好主意，并且你要在那里混合一些ML指令，你不需要构建一个编译器。您可以使用标准编译器之一。你可能需要扩展它，但这只是其他工作的一小部分。”

弗曼内克解释说，“这就是权力的魅力所在——我们实际上拥有这一切。我们来自另一个方向，我们已经建立了整个生态系统。Open Power以系统领域和堆栈为重点开始。IBM在“开放”方面有着悠久的历史，可以追溯到Linux基金会的成立。这是我们的基因，所以我们已经建立了完整的生态系统，现在是时候更进一步了，开放指令集，真正开始基于指令集构建硬件设备，并在这个开放硬件环境中构建更多的Power。我们拥有运行它的生态系统。”

虽然Power PC被认为是高端产品，但它现在被用于对成本更敏感的应用。对于以前在移动或PowerPC应用程序中实现Power ISA的公司来说，这实际上赋予了Power ISA新的生命，这些公司拥有可以复活的遗留技术。

这和SystemC汉德说，虚拟样机的模型等等。“所以你不需要建立基础设施，这给了你更多的资源来进行现有的核心创新。对于消费者来说，它消除了风险，所以没有人会担心购买Arm处理器，例如，该公司拥有坚实的基础设施。一切都很好。如果你打算从某个相对年轻、不知名的初创公司购买处理器，你就会对此感到担心。但如果你知道你可以把处理器换成另一家供应商的完全兼容的处理器，这种担忧就消失了。”

微软半导体业务部门的软件开发主管Allen Baker说有限元分析软件他强调，尽管RISC-V仍处于早期阶段，但它已被证明在与潜在客户互动方面是有益的。

“虽然有少数用户在积极使用它，但最近有一个例子，一个潜在用户正在使用RISC-V的开源实现，称为火箭核心开源设计，”贝克说。“他们的一些产品就是基于这种技术，所以他们对我们的解决方案很感兴趣。我们实际上能够，可能是第一次，自己获得这个火箭核心。因为它是开源的，它托管在GitHub上，所以我们可以下载它，自己运行它来准备演示，然后再去解释我们的工具是如何工作的，以及它们如何对他们的分析有用。我们以前从来没有这样做过，真正展示我们的工具是如何在他们正在做的事情上工作的。他们是潜在用户，所以我们与他们的交流很少，通常情况下，我们需要与用户的历史，才能考虑与我们共享IP以进行内部运营。这正是我希望这些开源实现更经常发生的事情。”

Baker说，令人惊讶的是，这些开源实现实际上在生产中被大量使用。“它们不仅仅是研究项目。这些都是人们赖以开展业务的真实设计，所以如果你能够方便地访问它们来开发新的工具或扩展，你的工作就会立即与这个广泛的生态系统相关。”

Fraunhofer IIS/EAS的功能安全和系统可靠性小组负责人Jens Warmuth同意RISC-V提供了很大的优势，比如避免使用基于许可证的、因此昂贵的“黑箱”处理器ip。此外，由于其开放的架构，它能够满足硬件和软件的功能安全要求。因此，由于许多设计公司决定开发自己特殊的RISC-V处理器派生IP，在不久的将来，针对每一个可以想象到的用例开发和使用大量的RISC-V派生产品是可以预期的。因此，基于这些ip的软件开发和验证将在产品早期阶段成为一个挑战。在保证功能安全的同时加速产品开发将比现在更能决定公司的成功。”

在这种情况下，Fraunhofer能够为实时平台的FPGA合成IP，并将其嵌入到基于异构模型的虚拟系统环境中，这允许在设计过程的早期和非常接近后期用例的实时环境中验证目标对象代码。

结论
虽然这不是一个非此即彼的决定，但开放式isa正受到越来越多的关注。IBM的菲尔兹说:“不接受这一点的系统公司未来将受到限制。”“这种情况会发生到什么程度，以及发生的速度有多快，都有待讨论。但这将会发生。”

在这一切的背后是向更多的异构和定制的转变，这两者都是行业开始应对下一个计算时代所需要的。

Arm的Whitfield表示:“其特点是5G实现了更强的连通性，再加上对边缘智能的需求。”“这种分布式、异构计算正在推动对更高效、特定应用的硅的需求。为了实现这一点，我们需要看到更高水平的设计自动化和共享创新平台的增长，以创建定制的硅解决方案。”

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