RISC-V英寸向中心

RISC-V正在进一步走向主流，出现在广泛的设计中，并获得了长期且仍在增长的支持者的支持列表芯片制造商，工具供应商，大学和铸造厂。在大多数情况下，它被用作一种补充处理器，而不是其他东西的替代品，但这种情况在未来可能会改变。

RISC-V对芯片制造商特别有吸引力的原因是它的开源根源。RISC-V指令集架构(ISA)是在本世纪初由加州大学伯克利分校开发的，在伯克利软件发行许可证下可用，该许可证允许设计以最小的限制广泛分发。这对于开发原型的初创公司来说尤其有效，但它也适用于高度特定的应用程序，比如安全协处理器，因为源代码可以调整。此外，它在中国等市场表现良好，因为中国正在努力减少半导体的贸易逆差，以及这些芯片的知识产权成本。

大多数支持者都承认，在RISC-V成为市场上现有处理器核心的严重威胁之前，它还有很长的路要走。为特定应用开发软件和微架构需要时间，而RISC-V基金会自2015年以来才成立。所有这些使得该体系结构成为协处理器的一个有趣选择，但不一定是商业设计中的主要处理元素。事实上，目前还不清楚RISC-V是否会真正取代一些领先的处理器架构。但它肯定会在那些成熟的处理器中找到一席之地，随着RISC-V架构和软件的成熟，这个角色只会越来越重要。

“当你看看市场上的东西时，x86不会消失，Arm架构也不会消失，”amd的FPGA营销总监Ted Marena说MicrosemiRISC-V基金会发言人。“考虑RISC-V的方式，以及许多客户看待这项技术的方式，是它是一种选择。它实现了某些人可能需要的某种程度的创新。有很多人不需要它，他们可以使用那里的很多选择。但对于那些想要更高级别功能的人来说，这就是RISC-V填补空缺的地方。”

手臂、MIPS、Synopsys对此(弧)和节奏(Tensilica)已经成功地推广了他们自己的isa，以及全套工具和软件，但他们不鼓励扩展这些体系结构。ARM和MIPS凭借自己的处理器主导了移动和网络市场。此外，每个都有一个专注的生态系统和操作系统/中间件首选项。

“通过(Synopsys的)ARC和(Cadence的)Tensilica，他们鼓励扩展，并有方法来帮助用户，”首席执行官西蒙·大卫曼(Simon Davidmann)说治之．他们在不需要广泛生态系统支持的特定音频和DSP市场上取得了成功。”

另一方面，他指出RISC-V是为扩展而设计的，生态系统正在随着商业工具的发展而发展，以帮助设计和验证这些扩展。RISC-V采用者瞄准的是尚未建立操作系统或中间件偏好的AI、ML和IoT等新兴市场。他说，每种架构都有众多的细分市场。

图1:SiFive的RISC-V linux就绪架构。来源:SiFive

Sergio Marchese，技术营销经理OneSpin解决方案表示同意。服务公司和EDA供应商有很多机会提供适合开放、互操作设计开发框架的定制解决方案，工程师可以选择一流的解决方案并无缝部署。考虑一下拥有一个开放的、正式的RISC-V ISA规范的好处，并使用它在验证硬件中实现的简单和复杂微架构时提供前所未有的严密性和自动化水平。”

但供应商也将在RISC-V生态系统的任何部分，无论是涉及IP、软件工具还是EDA，以其解决方案的优点进行竞争。

“RISC-V建立方式的美妙之处在于，人们可以选择开辟一个利基市场，或提供直接竞争的解决方案，”ibm设计验证技术部门的营销总监尼尔·汉德(Neil Hand)说Mentor是西门子旗下的企业．“友好相处是唯一真正的选择。”

并非所有人都同意。Dave Kelf，首席营销官断路器验证系统他说，RISC-V基金会的一些人认为RISC-V的努力与Arm直接竞争。

Kelf说:“如果你对比一下RISC-V指令集架构与Arm和其他商业处理器提供商的开放性，就很容易明白为什么。”“然而，考虑到市场的实用性，RISC-V不太可能在不久的将来取代Arm的任何核心业务。与Arm相比，RISC-V有一个有趣的优势，那就是能够在使用标准化工具流程的同时扩展指令集。这使得它在与Tensilica和ARC等可扩展处理器的竞争中更具竞争力，并取代了内部处理器的工作。看看目前公司内部的项目，RISC-V正是利用了这些应用程序。到目前为止，它还没有与Arm直接交锋。然而，开放ISA的威胁让Arm感到紧张，Arm简短发布的一个网页(在迅速删除之前)表明情况可能确实如此。”

RISC-V在哪里工作得最好
对于一些工程团队来说，使用基于RISC-V的处理器实现定制的承诺是有吸引力的，许多人正在使用RISC-V来取代内部专有加速器，这样他们就可以利用软件生态系统，因为RISC-V是高度可扩展的。他指出，这些加速器通常对用户是隐藏的，而Arm内核则对软件开发人员是公开的。

Microsemi的Marena以西部数据公司(Western Digital)为例。“他们想要一种特殊的公共汽车和接口。对于他们的情况，他们需要一些超出标准架构的东西。处理器在很多事情上都做得很好，但也有一些事情做得不太好。因此，当你想要一个特殊用途的功能，即下一个创新水平时，这就是RISC-V的用武之地。”

它对硬件安全性的作用相同。开源硬件被认为更安全，因为它是由更多的人为更多的终端应用开发的。

“物联网是一个特别隐蔽的生态系统，需要保护，”微软首席技术官马丁·斯科特(Martin Scott)说Rambus．“它的漏洞从硅到云，以及介于两者之间的任何地方。连接到不安全的特设全球网络和软件堆栈的设计中可能存在固有漏洞。在商业和安全方面，有许多不同的流程需要管理，而且没有中央权威或中央标准。”

Scott表示，有一些实用的方法可以处理硬件安全问题，比如使用安全层。但他补充说，开源的一个关键优势是能够共享关于漏洞出现在哪里以及如何解决它们的信息。“我们使用RISC-V的原因是，我们从一个可以被操纵以确保安全的ISA开始。这真的很重要。微架构的实现与架构本身一样重要，因为从侧通道的角度来看，不同的等效功能实现可能会有非常不同的安全问题。”

这就是RISC-V目前的归宿。Tim Whitfield，公司战略、嵌入式和汽车副总裁手臂他指出，设备正在向更加异构化的方向转变，设备内部有专门的处理器。“这种通用计算是否会发生一些变化?”RISC-V围绕这个答案所实现的创新是好的。专家们一直在深度嵌入式领域使用RISC-V，是的，它正在取代专有内核，完成非常专业的任务。这非常有意义，因为你可以灵活地使用架构，做一些琐碎的工作，并构建接口。这是它目前非常适合的地方。”

但RISC-V也可以通过专有架构获得吸引力，考虑到组织在代码、指令集和架构上的巨大投资UltraSoC．“另一个方面是临界质量，开发支持，维持在临界质量以下的任何东西都可能非常昂贵，非常困难。对于像英伟达这样的公司来说，他们有自己完全定制的东西，现在他们有了RISC-V。他们受益于所有的工具和编译器，这仍然是他们自己定制的东西，但他们只是降低了开发成本，因为他们可以利用其他一切。”

Baines说，其他公司如Andes和Codasip正在提供基于risc - v的核心，并保持他们的商业模式不变——他们授权一个核心和一个开发环境，但由于他们使用通用ISA，他们可以利用来自世界其他地方的投资，并达到临界质量。

基于risc - v的处理器已经在soc中与Arm处理器一起使用，Whitfield预计这种情况将继续下去，就像在其他架构中一样。“其他架构已经存在，并将永远存在，无论是Tensilica，它提供了人们需要的类似架构灵活性，还是[RISC-V处理器]。它们与Arm应用处理器或Arm嵌入式处理器共存。”

事实上，大多数不只有一个核心的soc往往具有更大的多核应用处理器(如Arm或MIPS)运行主操作系统(如Linux)，而较小的“随从”处理器(如安第斯或其他RISC-V内核)围绕它们运行RTOS和其他内核或裸机，以加速应用程序的性能，大卫曼说。

“你必须记住(RISC-V)是一个架构，它最终只是一张纸，”Whitfield补充道。诸如此类安第斯山脉而且Codasip其他人将构建微架构。这既昂贵又困难。Arm不仅仅是一个CPU架构。它是一家知识产权公司，也是一个系统解决方案软件生态系统。所以，是的，我们可以共存，把它定位为“赢者通吃”的死亡比赛——这绝对不是零和游戏。总有其他架构发挥作用的空间。在技术上有意义的地方，目前我看到了深深嵌入的专有类型的地方。也许在未来会有别的事情发生。Arm没有理由不能以某种方式复制同样的优点。未来可能会有不同的处理方式，Arm必须开发不同的IP来填补这一空白。”

少了什么
为了让RISC-V真正在商业基础上起飞，需要工具和软件，以及理解未来SoC设计在处理器ISA、IP供应商和软件堆栈方面将越来越异构。

“油气行业需要新的先进工具来建模、模拟、移植软件，以及开发和调试新软件，”Davidmann说。“验证这些新的异构多核系统的正确运行将是未来验证预算的很大一部分。”

Mentor’s Hand表示，还需要一种一致的方法来测试基于RISC-V处理器(不包括扩展)的合规性，并加速包含一些RISC-V技术的系统的功能验证。

最大的问题之一是开放指令集架构和开源核心或软件工具之间的混淆，Breker的Kelf指出。“RISC-V是一个开放的ISA，但这并不一定意味着开源实现。这就导致了一些方面的问题，比如各个实现是否符合ISA标准，因此，验证是一个大问题——尤其是在扩展ISA时。的确，RISC-V的核心、软件工具和其他方面都有开源实现，但这些功能的商业就绪程度还存在一个问号。更多的商业产品需要足够强大，让公司可以冒险使用soc。当然，随着SiFive开发出更强大的实现，它是值得关注的公司之一。”

SiFive则认为，如今开发复杂芯片的成本如此之高，不利于芯片行业的发展。

SiFive首席执行官纳维德•舍瓦尼(Naveed Sherwani)表示:“这完全关乎半导体业务的生存。”“如果开源是一个堆栈，你可以使用任何免费的东西，你总是可以去买一个更好的版本。但这意味着你可以基于开源组件构建一个原型。制造芯片所需的所有IP都是免费的。如果你的芯片投入生产，你就得为知识产权付出任何代价。索尔，现在你所做的是降低了生产原型的成本。开发芯片的成本太高，没有风投会投资，也没有年轻人愿意尝试。如果今天的成本是1000万美元，我希望它是100万美元。这包括所有IP、所有serde和所有DDR控制器。这就是我们的目标。 And this is what it means to be open source in hardware.”

软件的挑战
异构系统也存在软件方面的挑战，这些挑战还有待解决。

Baines说:“从历史上看，在异构系统中，问题是大多数工具都是为应对开放架构而设计的，所以你最终得到了一系列筒仓，然后你在不同不兼容的环境之间切换，其中每个环境都是特定的。”

这并不局限于RISC-V。“GPU和视频加速器以及不同架构中的各种加速，这对软件来说是个问题，”Whitfield说。“我们看到的很多应用都是深度嵌入的，有自己的生态系统，或者没有开放的可编程性。我认为我们还没有看到一个世界，你有两个应用处理器，或者我们看到一个特定的加速器与一个可编程加速器，旁边有一个Arm芯片。”

Baines相信这样的系统确实存在，但他说，典型的情况一直是应用处理器和某种调制解调器芯片中的DSP。“调制解调器芯片一直都有这样的架构，但它一直都非常困难，因为你有Arm和CEVA，调试这两个组合非常困难。”

这解释了为什么真正的粗粒度卸载引擎一直是图形和视频，它们能够发展自己的生态系统，并且有一个单独的引擎来支持它有足够的好处。“我们在人工智能领域看到了这一点，”怀特菲尔德说。“我们开始看到神经网络加速器和一个完整的生态系统，所以这将是另一个粗粒度的卸载引擎。有了RISC-V支持的细粒度的东西，看看世界是否真的需要大规模市场意义上的它将是非常有趣的。你已经在Tensilica和ARC中看到过它，有些人需要专门化，但大多数情况下它来自GPU。你离开了CPU的通用计算，进入加速器，然后有一个架构的修订，说我们会加入一些东西，使它成为通用的，因为生态系统的问题。如果你把它重新构建到架构中，它会变得更容易。到目前为止，这种方法一直有效。但是摩尔定律的那一端，有一些领域特定的架构。会发生吗? Does it not happen?”

“导师之手”对此表示赞同。“软件方面一直是个问题。每个核心都有不同的工具链，因此使用这些系统和管理跨系统部分的任务是非常复杂的。如果许多专有加速器被基于RISC-V的加速器所取代，这将有助于创建一个共同的生态系统。今天的情况并非如此，因为每个RISC-V供应商都有自己的工具链定义。”

验证问题
另一个挑战是如何模拟和调试这些系统。Davidmann表示:“如果你从IP供应商那里获得工具，这些工具可以很好地与他们的IP相匹配，但当你试图将其与其他供应商的IP相匹配时，这些工具就会显得有些不足。”为了为集成了来自不同IP供应商客户的IP的SoC开发软件，你需要确保他们的模型、模拟器、调试、验证、分析和分析工具可以与许多供应商和许多isa合作。”

对于现在想采用RISC-V的用户来说，选择是有限的。随着知识产权和工具提供商开发解决方案，这种情况将发生变化。

贝恩斯说:“外设、硬件、一些工具和生态系统的发展取决于你有多少是早期采用者，你对它们有多适应，或者你是否会再等六个月，直到它们变得更加成熟。”“对于深度嵌入来说，现在很多人会说这已经相当成熟了。如果你要设计一个深度嵌入的管理器之类的，这将是一个非常明智的做法。转向应用处理器，转向面向客户的Linux级处理器，这是目前正在开发的，所以还不太成熟。”

在核之间协调许多不同的任务，然后在终止之前验证这些任务是至关重要的。“这些系统的复杂性正在增加，相互依赖性也随之增加，”Mentor’s Hand说。“此外，许多新应用都涉及功能安全是关键的领域。所以我们不仅需要确保某些东西能够正常工作，还需要确保它能够正确地失败(对于大多数设计团队来说这是一个全新的领域)。”

法律问题
最重要的是，由于架构是为特定市场而适应的，因此专利也存在一些问题。

“有RISC-V，这是一种架构，还有微架构cpu，”Whitfield说。我感兴趣的是从建筑到微建筑的过程。我认为有三条途径。你要么拿一张纸，自己设计，碾碎，这很专业。世界上有一些团队能够做到这一点，特别是当你把它转移到应用程序类时。你从某个地方获得一个开源版本，然后修改并使用它。然后你会讨论代码的来源——谁拥有它，它从哪里来?如果你在谈论功能安全和保障，那么功能安全就是从规范到实现的全部了解。“我在做需求跟踪，我什么都有。“你如何克服这个问题?”或者你去找一个第三方IP供应商——一个安第斯或codasp——然后它是一个非常类似于Arm的模型，他们为你解决这些问题。 But then the free attraction has to go away at that point because somebody has invested a huge amount of money in getting to that point.”

这导致了涉及知识产权保护和专利侵权的挑战。

Whitfield指出:“从模式的角度来看，架构是干净的，但一旦你进入微架构领域，就会看到英特尔、高通和arm，以及许多其他公司，他们本身可能不会接近这一领域。”“专利流氓花了很多时间来保护我们的合作伙伴，所以这是一个挑战。当你构建一个微架构时，你几乎肯定会在某个地方违反一些微架构模式，在某个时候，专利流氓就会出现。如果你是从开源软件中选择的，或者你自己制作的，谁来赔偿你?”

另一方面，当存在大量基于指令集架构的衍生产品时，保护知识产权变得更加困难。

结论
虽然RISC-V继续获得关注，但在工具和软件方面存在差距，以及涉及任何可定制架构的风险。至少在短期内，这可能会限制RISC-V在设计中使用的方式和地点。但在未来几年，有足够的市场激励和机会，将使这一技术成为一项值得关注的有趣技术，特别是随着芯片世界越来越多地利用架构作为提高性能和降低功耗的最佳方式，而不是依赖于同一处理器日益密集的实现。

-Ed Sperling对本文也有贡献。

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但是使用这种体系结构有一些不太明显的缺陷，可能需要新的工具许可选项。