RISC V是中国芯的拯救者吗?

IT葡萄皮2018-06-20 10:54:50

前段时间的中兴事件再次唤起了公众对国产处理器领域的关注。在普罗大众及专业人士对中兴事件的各色讨论中,焦点之一便是指责中兴在基础芯片领域的研发投入不够。继而呼吁国家和企业多在芯片、处理器领域投资、研究。

反观现有的芯片领域,巨头林立、专利壁垒森严。想要完全绕开现有专利,别说核心的CPU了,就连很多的控制芯片都很难开发出来。可以说,在现有的框架中,中国处理器想要不被外国企业“卡脖子”几乎是一件不可能的事情。

不过,凡事都有例外,芯片领域也一样。

聊聊处理器规范及授权

处理器设计无疑是个复杂的系统工程。在设计一款处理器之前,我们首先要确定处理器所遵从的规范,即处理器所使用的指令集。这一步非常重要,关系到处理器的适用场景和商业合作乃至整个应用及配套生态。更关系到商业授权以及对应的授权费和专利费。

目前业内流行的指令集无非几种:

x86,属于CISC复杂指令集。目前x86专利权属于Intel, ?AMD和威盛所拥有的是使用权,但威盛x86使用已在2018年4月到期。Intel对x86授权的态度是众所周知的,除了交叉授权的AMD和通过收购矽统间接获得授权的威盛,其他企业想要从Intel处获得授权几无可能。

MIPS、ARM、SPARC、PowerPC,这些指令集都属于 ? RISC精简指令集,但需要获得相关专利持有方的授权方可使用。而且,有时高阶的授权价格非常昂贵(没错,ARM,说的就是你)。换句话说,当他们想让你用的时候你就可以用,不想让你用的时候你就用不了。

当然,在SPARC大的指令集下还有一些小的处理器分支采用GPL授权。虽然这种授权方式完全开放,可以不受约束的使用,但任何使用这些指令集的处理器及相关产品也必须使用GPL授权,完全对外开放。这显然不利于开发者的版权保护和商业化使用。

既然这些主流的道路都被堵死了,企业想要开发自己的处理器就真的只能老老实实交授权费或者从头开始另起炉灶吗?

其实,这世界上还是有“无私奉献”这种东西的,比GPL授权还要无私。

BSD协议下的RISC V

BSD协议,Berkeley Software Distribution license,伯克利软件发行许可;最早可追溯至1970年代。后经过多个版本的迭代,目前的BSD许可分为NetBSD、FreeBSD、 ? ? OpenBSD等几个版本,不过版本之间区别不大,整个许可通常只有2句或3句话。对于知识产权的分发、使用和再发行几乎没有任何限制。任何个人或组织在进行软件或知识产权的再发行、再开发等一切行为时,只需在产品中保留 BSD宣告文本即可。

这就意味着任何人和组织都可以根据自己的需要,对采用 BSD许可形式的软件进行再分发、再包装、再开发。而且这些再发行版的版权或知识产权是可以被再发行人所独享的。这种极度宽松的版权通常被称作Copyleft,与英文 ? ?Copyright(版权)对立。

从BSD的内容来看,这种许可模式几乎跟公益没什么区别。在大量真金白银堆砌的芯片指令集领域,有人会傻到用BSD许可方式来发布指令集吗?您别说,还真有这样的“傻子”。

2010年,加州大学伯克利分校的研究团队开始研究真正开源的处理器指令集项目。项目的第一阶段成果在2011年被公布,并采用了伯克利标志性的FreeBSD模式进行发布,贯彻了伯克利大学研究项目公立、公益的特点。这套指令集的名称便是RISC V。顾名思义,RISC V属于精简指令集,是RISC指令集的第五版。虽然RISC V的第一个版本仅包含40余条指令,且设计并不先进,且收到了很多质疑的声音。但这并不能阻止伯克利大学对RISC V的热情。最终,随着版本的不断迭代,业界对这种完全开放的指令集展现出了越来越大的热情。

2015年,在伯克利架构研究实验室以及包括Google、高通、Antmicro、Cortus、西部数据以及Rambus(没错,就是那个僵而不死的专利流氓Rambus)等企业的支持下, ? ?RISC V基金会成立了。之后,镁光、恩智浦、三星、 ? ? Marvell、IBM、中科院计算所、BAE系统、华为、联发科、Mellanox、特斯拉、GLOBALFOUNDRIES等一系列业界翘楚也纷纷加入该基金会。目前,RISC V基金会共有包括17家白金会员在内的107家会员单位。这些会员单位中包含了半导体设计制造公司、系统集成商、设备制造商、军工企业、科研机构、高校等各式各样的组织;足见 ? RISC V在业内的影响之大。当然,如此庞大的阵容也与 ? ?RISC V所采用的FreeBSD授权方式对商业十分友好以及目前半导体行业内指令集领域壁垒森严的现状有关;毕竟这是一个免费、商业友好、架构先进且有MIT、伯克利等顶级研究机构参与的项目。

RISC V之于中国处理器产业

中兴事件的持续发酵不断的拷问着国人脆弱的神经,也成为“中国制造2025”等宏伟计划的掣肘因素。而RISC V的出现则为中国芯片设计和制造企业提供了一张免费的入场券,凭借这张入场券,中国企业可以不受专利授权限制的使用先进指令集,与国际厂商同台竞技。中科院计算所、华为、谨嵘电子(国防相关企业)等企业加入RISC V基金会很能说明问题。

中国在芯片,尤其是核心的CPU领域中尝试突破已经不是一两年的事情了,而中国的科研机构和企业也已经尝试过了现存的几乎所有指令集架构:x86指令集的兆芯和海光,ARM v8指令集的华为海思,MIPS指令集(兼容)的龙芯, ALPHA指令集的申威,PowerPC指令集的苏州国芯, ? ? ?SPARC v9指令集的飞腾FT-1500……等等,不一而足。

当然,这还只是几种指令集中比较着名的产品,在FPGA、ASIC及其他领域还有更多中国企业在奋斗着。不过从目前的情况来看,国产处理器除了华为、展锐等极少数企业之外还没有能够在商业上获得成功的产品(由于配套软硬件生态环境的限制,很多国产处理器只能限定在国防等相当窄的应用领域中,离真正的商业化应用还有相当的距离;而即便是华为海思、展锐等企业,想要单纯靠处理器实现盈利也很困难)。

另一方面,即使是出货量很大的华为海思麒麟也只能采用公版ARM架构,无法像高通一样对架构进行修改并加入自己的新指令集,因此在绝对性能上始终被高通等公司的高端产品碾压。所以,能够自由使用并根据不同应用场景进行修改和增减且不会被专利限制的RISC V指令集对于中国整个芯片产业的意义显然非常重大。

当然,能看明白这一点的绝不仅中国企业。作为IT行业增长迅速但芯片同样长期依赖进口的印度,国产芯片同样是其多年来重点发展的领域。邻国印度在自主芯片领域的经历与我们非常类似,在国家经费的支持下,印度也曾经基于PowerPC、ARM等多种指令集开发过多种处理器产品。但这些产品同样面临商业应用方面的困境以及来自授权方面的掣肘。虽然印度在国际竞争环境方面比我国要宽松的多,但在2013年,印度仍将RISC V确定为国家指令集标准,并开始了基于RISC V指令集的处理器研发之路。

其实早在2012年3月,我国工业与信息化部就曾举办专门的“中国国家指令集标准化”研讨会,希望找到一个统一的框架来开展自主处理器的研发工作。只不过当时在各个企业、研究所里并行的几条产品线都采用了不同的指令集,并且都有一定的成果出来。最终,这些标准化的努力也随着众多芯片研究机构的互不相让而化为泡影。目前,借助RISC V在业界的崛起,我国也有希望在一个统一的指令集基础上集中资源和力量发展我们自己的先进处理器芯片。

用上RISC V,然后呢?

处理器是否能够在商业上取得成功,一方面要看指令集在市场上的应用和接受程度,另一方面要看工艺制程和内部设计。

在工艺制程方面,目前以中芯国际为代表的国内顶尖企业已经开始了14nm工艺的攻坚工作。根据目前的消息,中芯国际最早在2019年就可以实现14nm产品的量产。更高的工艺水平可以降低芯片总体的功率和发热量并在单位面积内集成更多晶体管,从而有助于处理器主频和性能的提升。

与此同时,要提升处理器的性能,流水线设计、乱序执行效率、分支预测效率、内存控制器效率以及其他模块的设计水平也同样关系到处理器的最终性能。在这些处理器的关键模块上,我们同样要面对海量的国际企业专利壁垒。显然,在这些方面,中国处理器仍有很长很长的路要走。

举个简单的例子:同样适用x86指令集,AMD处理器同频下的单核性能始终落后于Intel;同样使用SPARC v9指令集,富士通的SPARC64系列处理器同频下的单核性能也始终落后于甲骨文的SPARC T系列和M系列。

路漫漫其修远兮,吾辈将上下而求索。面对同样的困境,印度没有放弃,日本没有放弃,中国更没有理由放弃。即使RISC V的道路最后无法走通,我们仍会在自主处理器的道路上披荆斩棘,另辟蹊径,继续前行。

中国芯,加油!


附录:那些年中国研制过的处理器

海光,从AMD方面获得x86指令集授权。但海光公司目前非常低调,鲜有消息对外披露。迄今也没有正式产品对外发布。

兆芯,从威盛方面获得x86指令集授权。最新产品为开先KX-5000系列,64位,8核心8线程,28nm制程,HFCBGA封装,芯片面积37.5mm×37.5mm,L2 Cache最大 ? ? ? ? 4MB×2,频率最高2.0GHz,内建集成qq全自动抢红包软件和DDR4内存控制器。

龙芯,从MIPS获得指令集授权(但龙芯宣称是自主研发指令集,取得MIPS授权是为了与应用兼容)。最新产品为龙芯3A3000,64位,4核心4线程,28nm制程,FCBGA封装,核心面积155.78mm^2,L2 Cache 256KB,L3 ? ? ? Cache共享8MB,最高频率1.5GHz,支持DDR3及ECC。

君正科技,申威,ALPHA指令集(或基于ALPHA修改的自主指令集),最新产品SW411,64位,4核心4线程,制程 40nm,FC-BGA或LGA封装,芯片面积37.5mm×37.5mm,L2 Cache 512KB,L3 Cache共享6MB,最高频率 ? ?1.6GHz,双路DDR3,支持ECC校验。

苏州国芯,PowerPC指令集,最高端产品为CCFC9000, 32位,单核心嵌入式SoC,45nm制程,无L2及L3 ? ? ? ? ? Cache,32KB L1指令缓存,32KB L1数据缓存,封装未知,芯片面积3.5mm^2,最高频率1.3GHz。

飞腾,FT-1500,SPARCv9指令集,64位,16核心128线程,TSMC 40nm制程,L2 Cache 512KB,L3 Cache共享4MB,最高主频2.0GHz,典型功耗65W,晶体管数量及封装形式未知,支持DDR3内存,主要应用于超算领域。但后来飞腾公司全面放弃过时的SPARC v9架构,并购买了 ?ARM v8授权,开始基于公版ARM v8生产FT-1500A和 ? FT-2000A处理器。

华为,海思麒麟,ARM 指令集(v8指令集授权,只能使用公版核心,无法自主修改),最新产品麒麟970,4核A73 ?2.4GHz、4核A53 1.8GHz,制程台积电10nm,支持 ? ? ?LPDDR4内存。




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