解析阿里玄鐵RISC-V系列處理器的硬件開源策略
在2021云棲大會上,阿里平頭哥開源了玄鐵RISC-V系列處理器,并開放系列工具及系統軟件。即日起,全球開發者可下載玄鐵源代碼,平頭哥也將持續開源穩定的、全棧一體的RISC-V IP核,并提供技術支持和應用服務。對于開發者來說,軟件開源早已不是什么新鮮事,而此次玄鐵RISC-V是硬件開源,過程曲折但貢獻著實不小。
解析阿里玄鐵RISC-V系列處理器的硬件開源策略(圖片來自antmicro)
對于開發者來說,直接使用開源軟件,成本比較低,有吸引力。但硬件開發流程復雜、時間漫長,試錯代價昂貴,對硬件開源提出了更高的要求。平頭哥支持開源開放,對于正在上升期的RISC-V架構技術而言,只有更多的開發者和企業使用,才能共同推進生態進步,讓這一技術在芯片和操作系統等軟硬件層面更加成熟,讓生態圈的每個伙伴從中受益。
眾所周知,要在芯片上執行軟件程序,必須先將軟件/程序語言翻譯成硬件指令,這套標準規范即芯片架構/指令集(ISA,Instruction Set Architecture),X86、Arm、RISC-V都是指令集的代號。不過,指令集通常與背后的軟件生態相關聯,采用哪種指令集,需要其專利授權,IP授權費用動輒上百萬、千萬美元。
誕生于2010年的RISC-V,是一個基于精簡指令集(RISC)原則的開源指令集架構(ISA),其由一家非營利基金會所有,所有企業都可以加入基金會,免費使用RISC-V架構,并在其基礎上進行改動,被廣泛看好成為下一代廣泛應用的CPU架構。RISC-V架構具有開放、靈活、低功耗等特點,基礎指令不到50條,并以模塊化的方式提供了不少擴展指令集。
RISC-V 基金會首席執行官Calista Redmond曾透露,截至2020年底,在全球范圍內RISC-V芯片(SoC、IP和FPGA)已推出93款,覆蓋了云端、移動、高性能運算、機器學習、自動駕駛等產業。據《財新》報道,RISC-V已經吸引了谷歌、阿里巴巴、三星、華為、英偉達、西部數據等全球500多家企業參與研發。
Semico Research預測,到2025年全球市場的RISC-V核心數將達到624億,其中工業應用增幅最大,將占據167億顆。在實際應用中,RISC-V適合為智慧城市、工業互聯網、智能家居等碎片化的AIoT場景提供定制芯片。這種需求上的滿足與當前AIoT的大勢所趨不無關系,要知道在應用側,玄鐵910已經實現了兼容安卓,證明RISC-V朝高性能方向發展的可能。對于阿里“云端一體”的戰略而言,平頭哥在RISC-V上的探索勢必會延伸到更多的場景。
據了解,此次開源的OpenXuantie系列RISC-V處理器,包括玄鐵E902、E906、C906、C910等4款量產處理器IP,以及基于OpenXuantie的多操作系統(AliOS、FreeRTOS、RT-Thread、Linux、Android等)的全棧軟件及工具。開發者可通過平頭哥Github和芯片開放社區(Open Chip Community)下載OpenXuantie源代碼,并基于此實現開源EDA協同、硬件架構創新、豐富軟件應用生態。
玄鐵RISC-V系列處理器采用自研技術,覆蓋從低功耗到高性能的各類場景,支持AliOS、FreeRTOS、RT-Thread、Linux、Android等操作系統,并已成功應用于微控制器、工業控制、智能家電、智能電網、圖像處理、人工智能、多媒體和汽車電子等領域。目前,玄鐵系列處理器出貨超25億顆,擁有150余家客戶、超500個授權數,已成為國內應用規模最大的國產CPU。
正如前文所述,硬件開源絕非一日之功。經過十多年的CPU和芯片研發,平頭哥在自研指令架構、CPU微體系結構和系統芯片方面積累了不少經驗,形成了從低功耗、低成本到中高性能等RISC-V處理器產品家族,應用于MCU、藍牙、無線、語音、視覺等應用場景。如今,玄鐵系列成為國內RISC-V領域影響力和市場占有率最大的處理器產品,以每年50%的授權數增長。
根據阿里的表述,玄鐵910在指令方面相比原始的RISC-V穩定可靠,同時有平均20%以上性能的提升。在處理器的設計技術上,玄鐵910在原有高性能處理器2發射的基礎上,發展成3發射并行架構,流水線深度從10級發展成12級,單位性能提升40%以上,達到7.1 Coremark/MHz,工作主頻達到2.5GHz,整體指標在原有技術上提升一個層次。
顯然,這種硬指標上的進步對于RISC-V的普及有著重要作用。要知道,超過70%的RISC-V 主要成員來自中國,這在一定程度上要受益于半導體國產化的趨勢。2018年7月,上海首度宣布將RISC-V列入政府產業扶持對象,成為國內第一個發力RISC-V的城市。同年10月和11月,中國 RISC-V產業聯盟與中國開放指令生態(RISC-V)聯盟相繼成立,前者如今成員單位已達130家,后者則由中國工程院院士倪光南領銜,吸引了包括阿里巴巴、中芯國際、紫光展銳、北大清華在內的產學研代表成員。
可以說,RISC-V生態建設是中國半導體上下游產業鏈生態建設的好機會。在傳統芯片的設計領域,國外的封鎖在短期內難以突破,而在RISC-V所面向的物聯網場景,對芯片制程要求還不太高,這也為近幾年國內新成立的一批國內EDA公司帶來了新的市場機會。
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