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挑战X86、ARM架构,RISC-V能否成为中国物联网时代赶超欧美的希望

2019-12-13 19:01
亿欧网
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芯片行业落后三四十年的中国,能否借RISC-V发展契机直击行业“金字塔尖”,绝地求生。

近日,由海淀区政府、北京市科委、北京微芯边缘计算研究院共同发起,中关村科学城开源芯片源码创新中心成立。创新中心将推动芯片设计领域全球标准创建,建设国际开源平台,提升我国芯片设计硬实力和自主可控核心能力。

众所周知,芯片的架构设计一直被誉为芯片行业的“金字塔尖”,难度巨大,且一直被国外垄断。

此次,中关村科学城开源芯片源码创新中心的成立,旨在抢抓RISC-V芯片生态发展机遇期,构建RISC-V芯片创新生态,打造我国自己的芯片和架构。

多年来,由ARM公司主导的ARM架构、与英特尔主导的X86架构是全球芯片领域的主流架构。随着人工智能等前沿科技发展,这些老牌的主流架构开始面临众多挑战,不少科技巨头纷纷转向RISC-V架构。RISC-V因其灵活、精简、开源等特性,成为全球芯片领域备受关注的架构,也被视为中国芯的“新机遇”

全球芯片领域主流架构“两极争霸”的局面或许将会变为“三足鼎立”的新篇章。

RISC-V突围的故事,还是要从两大巨头如何形成开始说起。

初代芯片王朝的崛起

学过半导体的人都知道一句话,CPU的发展史简单来说就是Intel公司的发展历史。从1971年,Intel推出了世界上第一款微处理器至今,CPU的发展已经有近五十多年的历史。而Intel在CPU发展前进的每一步上都留下了浓墨重彩的一笔。

1968年,戈登·摩尔和罗伯特·诺伊斯在硅谷创办了Intel公司。戈登·摩尔,正是大家所熟知的“摩尔定律”的提出者。

1971年,世界上第一块微处理器4004在Intel公司诞生了,片内集成了2250个晶体管,晶体管之间的距离是10微米,能够处理4bit的数据,每秒运算6万次,频率为108KHZ,前端总线为0.74MHz (4bit)。

图为:Intel 4004芯片

没有微处理器,个人计算机就不可能出现,而没有个人计算机,就不可能有后来的互联网革命。可以说,微处理器的出现,改变了整个世界。

1978年6月8日,Intel生产出了世界上第一款16位的微处理器并命名为“i8086”。

i8086的出现也同时开创了一个新时代:X86架构诞生了,它定义了芯片的基本使用规则。

图为:Intel 8086芯片

X86架构指的是CPU执行的一些计算机语言指令集,由于Intel从8086开始,此后升级的每一代芯片(例如80186、80286等)都用的同一种CPU架构,所以人们将这些指令集统一称之为X86指令集,也就是所说的X86架构。

1981年使用X86架构的8088芯片首次用于IBM PC机中,开创了全新的微机时代,也就是大家熟知的个人PC时代

1993年,Intel推出了奔腾处理器Pentium。Pentium是x86系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至3.3V。这样不仅可以大幅减少功耗,也让性能有了新的突破。

奔腾处理器的诞生,让Intel公司甩掉了只会做低性能处理器的帽子,其运行速度达到工作站处理器的水平。Intel一举超过所有日本半导体公司,坐上了半导体行业的头把交椅。

此后,以Intel、AMD等公司为代表的X86架构芯片遍横扫世界,统治了个人PC与服务器时代,书写着王朝的史诗

王朝演替,各据半壁江山

技术决定能否提供需求,而需求也决定了技术发展的方向。 

随着移动互联网时代的到来,人们对电脑等大型设备需求降低,对手机等移动设备需求显著提升,在这个需求变革契机,另一巨头ARM显现出来,开启了自己的传奇。 

1981年,电子设备设计和制造公司Acorn迎来了一个难得的机遇,英国广播公司BBC打算在整个英国播放一套提高电脑普及水平的节目,他们希望Acorn公司能生产一款与之配套的电脑。

接下这个任务之后,Acorn公司就开始干了起来。很快他们就发现,自己产品的硬件设计并不能满足需求。当时CPU的发展潮流,正在从8位变成16位,性能正在大幅提升。Acorn自己并不能制造生产芯片,他们只能去寻找其他厂商合适的芯片

一开始,他们打算使用美国国家半导体和摩托罗拉公司的16位芯片。但是,经过评估后,他们发现了两个缺陷:第一,芯片的执行速度有点慢,中断的响应时间太长。第二,售价太贵,一台500英镑的电脑,处理器芯片就占到100英镑。

于是他们打算去找当时如日中天的Intel,希望对方提供当时代表最先进技术的80286处理器的设计资料和样品,但是,却遭到了拒绝。无奈下Acorn公司只能自己造芯片

经过多年的奋斗,Acorn最终完成了CPU的设计。对于这块芯片,Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。这也就是这就是大名鼎鼎的“ARM”三个字母的由来。后来的ARM架构,指的也是设计这款芯片时采用的架构。 

图为:ARM公司商标

1985年,Acorn研发出来的第一款处理器芯片的型号,被定为 ARM1。但是,就在同一年,1985年10月,英特尔发布了80386。在80386面前,ARM1显得弱小不堪。在ARM1之后,Acorn陆续推出了好几个系列,例如ARM2,ARM3。

1990年,Acorn公司正式改组为ARM计算机公司——Advanced RISC Machines(虽然缩写相同,但ARM芯片是Acorn RISC Machine的缩写)。ARM公司是Acorn、苹果、诺基亚、VLSI、Technology等公司的合资企业。

虽然Intel持续迈向X86高效能设计,而ARM则专注于低成本、低功耗的研发方向。两者看似有着不同的方向,但在Intel强大的统治下,ARM并不好过。

在这个情况下,ARM决定改变他们的产品策略,他们不再生产芯片,转而以IP授权的商业模式,将芯片设计方案转让给其他公司。简单来说就是,ARM不再像Intel一样,一颗芯片的设计、制作、封装都由自己来完成,它相当于出售自己的“设计图纸”,剩下的由购买方自己去完成。

没想到正是这种模式,开创了属于ARM的全新时代。

1991年,ARM将产品授权给英国GEC Plessey半导体公司。

1993年,ARM将产品授权给Cirrus Logic和德州仪器(Texas Instruments,TI)。

与德州仪器的合作,给ARM公司带来了重要的突破。而且,也给ARM公司树立了声誉,证实了授权模式的可行性。

此后,越来越多的公司参与到这种授权模式中,与ARM建立了合作关系。其中就包括三星、夏普等公司。

因为手机不需要像电脑那样强大的性能,它们更需要便捷性与低功耗,所以手机厂商不需要X86架构那样强大的性能,因此大量使用ARM架构去设计,随着移动手机井喷式的增长,ARM架构也随之水涨船高。

2007年,真正的划时代产品出现了。那就是iPhone。

苹果iPhone的出现,彻底颠覆了移动电话的设计,开启了全新的时代。第一代iPhone,使用了ARM设计、三星制造的芯片。

iphone的热销,App Store的迅速崛起,让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。紧接着,2008年,谷歌推出了Android(安卓)系统,也是基于ARM指令集。

至此,智能手机进入了飞速发展阶段,ARM也因此奠定了在智能手机市场的霸主地位。

2011年,就连传统Wintel联盟(windows+intel)的微软,也宣布Windows8平台将正式支持ARM架构处理器。这是计算机工业发展历史上的一件大事,标志着X86架构处理器的主导地位发生动摇,也标志着ARM架构处理器正式成为另一新的巨头

巨头弊端显现,夹缝中杀出的RISC-V

两大巨头,一个演绎着PC时代的神话,一个在移动互联网时代称霸。两种不同架构各有侧重。可以说是优势互补、无法替代的关系。 

而在下一个时代,物联网的时代,他们是否还能继续稳稳坐在第一的位置上?

CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)是当前CPU的两种架构分别采用的指令集。X86架构采用CISC,ARM架构采用RISC。

从性能上看,X86架构的芯片,无论如何都比ARM架构的芯片在更快、更强。

X86架构的CPU运行起来,随便就是1G以上的运行内存,并可以采用双核、四核等模式来加强性能,通常使用45nm(甚至更高级)制程的工艺进行生产。而ARM架构方面:CPU通常是几百兆的运行内存,最近才出现1G左右的CPU,制程通常使用不到65nm制程的工艺。

可以说,在性能和生产工艺方面ARM架构根本不是X86架构的对手。 
但ARM架构的优势不在于性能强大而在于效率,ARM架构采用RISC流水线指令集,在完成综合性工作方面处于劣势,但在一些任务相对固定的应用场合其优势就能发挥得淋漓尽致。

从拓展能力来看,X86架构的设备采用“桥”的方式与扩展设备,如硬盘、内存等,进行连接,而且X86架构的设备出现了近30年,其配套扩展的设备种类多、价格也比较便宜,所以X86架构的电脑能很容易进行性能扩展,如增加内存、硬盘等。

ARM架构的设备是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接,所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行,一般在产品设计时已经定好其内存及数据存储的容量,所以采用ARM架构的系统,一般不考虑扩展。基本奉行“够用就好””的原则。

从功耗来看,高功耗导致了一系列X86架构无法解决的问题出现:系统的续航能力弱、体积无法缩小、稳定性差、对使用环境要求高等问题。从这里我们可以发现X86架构与ARM架构是在两个完全不同领域方面的应用,它们之间根本不存在替换性。

在服务器、工作站以及其他高性能运算等应用方面,可以不考虑功耗和使用环境等条件,这时X86架构占了优绝对优势;但受功耗、环境等条件制约且工作任务固定的情况下ARM架构就占有很大的优势,在手持式移动终端领域,X86架构的功耗更使其毫无用武之地。  

相比于X86架构和ARM架构,RISC-V架构显得有点名不见经传。

RISC-V,一般念做:riskfive。V,就是罗马数字5。

很多人提到RISC-V,都会说它是开源芯片。其实这种说法不是很准确。准确来说,RISC-V是一个基于“RISC(精简指令集)”原则的开源指令集架构,是RISC架构的子集。

既然是RISC架构的子集,那么它为什么敢挑战两大架构的地位?

其实这与芯片行业目前的格局与发展方向有关。

现如今,随着5G、物联网、人工智能等技术的蓬勃发展,越来越多的企业希望生产和制造服务于各个垂直行业的终端和模组。

但X86架构一直是Intel和AMD两家公司掌握的封闭性技术,没有明确的知识产权授权模式。而ARM架构则需要上亿高昂的授权费用。这都使得中小企业、创新企业望而却步。

这时,RISC-V出现在了人们的视野。RISC-V基于小型、快速、低功耗等现实情况设计,而且其设计者也并没有对特定的微架构进行过度的设计,恰巧可以满足物联网时代传感器:低性能,结构简单,低功耗的需求。

突围成功还是失败

RISC-V的众多优点是可以看得到的,RISC-V架构采用的开源方式,其指令集可以自由地用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件而不必支付给任何公司专利费

虽然这不是第一个开源指令集,但它具有重要的意义:RISC-V的设计可以完全适用于现代计算设备(如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统);设计者考虑了不同用途的性能与功率效率;RISC-V还拥有众多支持软件,这解决了新指令集通常的弱点。

中国工程院院士倪光南多次在公开演讲中表示,RISC-V的优势,在于其包含了CPU发展过程中优秀的创新点,在技术上非常完备。因为“年轻”,它不仅非常精简,而且没有所谓的“历史包袱”。比如,一个技术手册,由于ARM和英特尔都需要与自己的上一代产品兼容,可能需要2000多页,而RISC-V却只需要几百页。

但倪光南院士也给出几点警示,对于移动端和 PC 端市场而言,RISC-V 的生态远未成熟到与英特尔、ARM 等“王朝元老”相匹敌的地步。

首先RISC-V架构开源规则本身有一定的局限性。RISC-V强调完全开源的设计,并且让取用者可任意加上专属指令集,甚至可以自由选择将架构封闭还是维持开源。这样就导致了 RISC-V架构可能出现,虽然拥有更多的指令集,却无法共用的问题。

当各个公司做出具有本身公司特色的芯片时,如果他们选择将自己的专属指令集保密,那么若干年后,很可能出现芯片互不兼容的情况,而这样的碎片化问题往往是不利于产业发展的

就像Android(安卓)系统本身是一个开源的系统,但经过华为、小米、OPPO等厂商各自开发成自己的系统之后,就变得不在互相兼容了,这也是RISC-V架构开源规则本身的局限性。

此外,RISC-V架构生态欠缺。目前,英特尔推动的x86架构市场依旧庞大,几乎从传统PC 到数据中心规模的服务器都在使用基于x86架构的处理器,同时相关软件带动的应用服务也有长达40年的优化发展历史。

对于ARM架构已产生的庞大市场应用规模,RISC-V架构更加难以取代,而且ARM的IP授权模式已经趋于完善,尽管授权费用高昂,但各大厂商依旧乐此不疲,例如我国华为海思、展讯、中兴、全志等芯片皆是采用ARM架构。

虽然RISC-V架构刚刚起步,还面临着众多不确定性,但从1958年集成电路发明以来,我们也看到了整个产业发生了多次的变迁,无论是市场的转变,还是技术的创新,行业一直在带给我们惊喜。

RISC-V架构具有简单和灵活的特性,非常适合部署到物联网、控制器、数据中心的专用芯片和边缘计算等应用场景,具有广大前景。未来,希望具备“得天独厚”优势的 RISC-V能随着我国物联网的先发优势而大放异彩,成为赶超欧美的新动力。

作者:张伟超

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