RISC-V 指令集架構(gòu)最早是加州大學(xué)伯克利分校一個為了提升能源效率的項目，現(xiàn)在在整個行業(yè)中的發(fā)展勢頭強勁。

RISC-V 基金會的會員名冊能讓我們一窺推動這一發(fā)展的背后力量，其中包括谷歌、英偉達(dá)、高通、Rambus、三星、恩智浦、美光、IBM、GlobalFoundries、UltraSoC 和西門子。

SiFive 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席架構(gòu)師及 RISC-V 基金會主席 Krste Asanovic 說：這項技術(shù)的一大關(guān)鍵市場是很多公司的存儲控制器。他描述說這是與內(nèi)存的集成，加上插在服務(wù)器后面的 PCIe 從屬設(shè)備，可以提供性能非常高的閃存存儲。

另一個活躍領(lǐng)域是人工智能/機器學(xué)習(xí)的向量擴展。Asanovic 一直在 RISC-V 基金會領(lǐng)導(dǎo)這方面的工作，而且 SiFive 也正在開發(fā)支持 AI 機器學(xué)習(xí)的向量的內(nèi)核。

他說：“很多公司都對這個領(lǐng)域有興趣。現(xiàn)在有很多用于 AI 核心部分的硬連線的（hard-wired）專用加速器，但硬連線模塊的問題在于這一領(lǐng)域內(nèi)的算法變化非常快。這是一個非常活躍的領(lǐng)域。人們想要非常高效又可編程的東西，所以我們看到的用例類型既有硬連線的模塊，也有增加一些補充性的東西來處理硬連線模塊無法處理的部分的工作，還有試圖完全使用向量來做的。希望我們正在研發(fā)的先進(jìn)向量擴展能夠非常接近專用功能單元，同時又能有適用于這一領(lǐng)域大量不同算法的靈活性。”

Asanovic 認(rèn)為 AI 機器學(xué)習(xí)是 RISC-V 的一個重要注入點，尤其是因為這一領(lǐng)域目前還沒有提供軟內(nèi)核（soft core）的公司。“我們定義的向量擴展比其它 ISA 更加先進(jìn)。這是導(dǎo)致人們進(jìn)入 RISC-V 領(lǐng)域的一個原因。”

圖 1：SiFive 的 HiFive1 開發(fā)套件，來自 SiFive

第三個活躍的領(lǐng)域涉及到 minion 內(nèi)核（即管理內(nèi)核）。他解釋說：“現(xiàn)在大多數(shù) SoC 都需要一個 64 位的地址空間，因為它們有非常大的帶有 DRAM 的內(nèi)存，而且客戶們也正在尋找能在大型 SoC 上‘干家務(wù)活’的嵌入式控制器。在大型 SoC 上通常有數(shù)十個這種內(nèi)核，但它們需要有一個 64 位的地址空間，而且需要緊湊。現(xiàn)在這一領(lǐng)域確實還沒有任何東西，所以 64 位嵌入式空間是 SiFive 重點關(guān)注的地方之一。在這一領(lǐng)域，英偉達(dá)已經(jīng)公開宣布他們正在設(shè)計他們自己的內(nèi)核，但那是他們的用例，他們也正在為這些微控制器而轉(zhuǎn)向使用 RISC-V。”

Cadence 的 Digital & Signoff 組的產(chǎn)品管理總監(jiān) Dave Pursley 對 RISC-V 架構(gòu)的擴散有相似的看法。他說：“這個領(lǐng)域各個地方都表現(xiàn)出了這種現(xiàn)象，到處都是，也就是整個市場。很多小型公司已經(jīng)在談?wù)?RISC-V 了，但一些大公司對此也有準(zhǔn)備。所以解決方案不止一種，而且它們都各有優(yōu)劣。”

ANSYS 公司半導(dǎo)體事業(yè)部首席軟件開發(fā)者 Allen Baker 說，RISC-V 規(guī)范的開放性促進(jìn)了大量開放式處理器設(shè)計的發(fā)展。這些處理器有很廣泛的應(yīng)用范圍，從適用于重型 Linux 服務(wù)器的 Berkeley Out-Of-Order Machine（BOOM）CPU 到具有 32 位 PicoRV32 的微型嵌入式微控制器。

Baker 說：一些實現(xiàn)已經(jīng)成功流片，并且工作狀態(tài)良好。從 EDA 開發(fā)者的角度看，開放式 RISC-V 設(shè)計為現(xiàn)代設(shè)計的構(gòu)建方式提供了很有價值的見解，并且可用作工具測試的靈活測試案例。我們已經(jīng)觀察到了一個趨勢：使用高級參數(shù)（比如內(nèi)核數(shù)量、緩存大小）來實現(xiàn)對設(shè)計的輕松配置并使用定制 RTL 模塊來擴展它們。這與由GNU 工具鏈生成的，幾乎能提供無窮無盡的活動向量的RISC-V 軟件結(jié)合起來，可以使設(shè)計分析和優(yōu)化更容易獲得，也更加的便宜。

實現(xiàn)的應(yīng)用也各有不同，Cadence 的 Pursley 說：“有些人只是想以一種簡單直接的方式使用指令集架構(gòu)，而且你可以使用來自很多來源的 IP 來做到這一點，其中包括開源。這些正在向前推進(jìn)的公司真的很喜歡它的可擴展性和可定制性。你可以去除一些代碼，也可以加入一些代碼。在這方面進(jìn)行推進(jìn)的往往是一些小公司，它們正在尋找一種為機器學(xué)習(xí)等應(yīng)用得到定制指令集的快速簡單方法。他們想做的基本上就是盡可能地剝離掉一切，與此同時又在激活函數(shù)等部分內(nèi)增加一些東西，或者也許會根據(jù)最終應(yīng)用加入加密函數(shù)、張量操作（數(shù)組和數(shù)據(jù)空間操作）等。這些都是他們希望加入的東西，取決于確切的應(yīng)用。這也是 RISC-V 架構(gòu)的一大優(yōu)勢。它允許你去掉和加入東西，同時仍然能使用已有的 RISC-V 工具鏈。”

Asanovic 指出在設(shè)計用于實現(xiàn) RISC-V 的工具上并沒有任何特定的需求。“有一大優(yōu)勢是我們可以用Chisel生成Verilog，并且我們知道Verilog有很多工具都可以應(yīng)用）我們沒有你必須理解這些 Verilog 的含義這種惱火問題（我們不用為生成Verilog難以理解而頭疼）。我們生成的 Verilog非常清楚簡明，可以與供應(yīng)商工具良好地協(xié)同工作，所以，比如說我們不依賴花哨的 Verilog 新功能在這些工具中是正確的（Chisel生成的Verilog非常清楚簡明，與EDA工具兼容性很好）。這是我們發(fā)現(xiàn)處理器生成器生成 Verilog 的一大好處。實際上，我們在后端和仿真流程中也都發(fā)現(xiàn)了這一點，客戶對生成非常簡明的Verilog的速度特別驚訝。它基本上可以像其它任何軟內(nèi)核一樣使用，這是很好的。”

創(chuàng)新許可

UltraSoC 公司 CEO Rupert Baines 說 RISC-V 有一個吸引人的地方：公司可以根據(jù)自己的特定需求優(yōu)化內(nèi)核設(shè)計。“實際上，每個想要架構(gòu)許可的人都有許可。”

盡管有一些商業(yè)內(nèi)核供應(yīng)商在關(guān)注低功耗，但也有一些 SoC 公司在為自己的特定應(yīng)用進(jìn)行非常緊密地優(yōu)化。比如說，Codasip 去年就演示了優(yōu)化指令可以顯著降低功耗，這是 SoC 公司降低功耗的非常明顯的途徑。

Tensilica 等一些公司一直在為 DSP 這么做。Baines 說，區(qū)別在于 RISC-V是一個基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 ISA 和生態(tài)系統(tǒng)，而不是專門定制的架構(gòu)設(shè)計。

EDA 供應(yīng)商和大型芯片公司已經(jīng)這么做了很多年：降低功耗的最好方法是在架構(gòu)層面。實際上，功耗需要在設(shè)計過程中預(yù)先考慮，這樣在調(diào)整設(shè)計時會更容易。

西門子旗下 Mentor 的設(shè)計驗證技術(shù)部市場總監(jiān) Neil Hand 說：“RISC-V 吸引人的地方在于設(shè)計者可以修改指令集，可以修改實現(xiàn)方式，可以和不同的供應(yīng)商合作。但在做這些事情時，設(shè)計者必須確保那是可行的。要確保這些東西真的有用，所以我們在 RISC-V 上的很大一部分關(guān)注重點都是檢驗和驗證。”

幾年以來，Mentor 和其它 EDA 提供商的團隊都已經(jīng)與 RISC-V 供應(yīng)商建立了新的關(guān)系或增強了已有的關(guān)系。Hand 說：“當(dāng)你想要為一項 RISC-V 設(shè)計進(jìn)行低功耗優(yōu)化時，這實際上就是最大的那個難題；實際上任何設(shè)計都是這樣，甚至高性能優(yōu)化也是如此。你必須確保這些東西仍然有效，這可不容易。”

RISC-V 設(shè)計和驗證流程與其它流程（比如基于 ARM 的流程）可能會有怎樣的差異？這是個顯而易見的問題。其中最大的難題是知道需要檢查什么以及理解如何評估設(shè)計。Hand 說：“如果你需要一個 ARM 設(shè)計，你可以選一個現(xiàn)成的 ARM 設(shè)計，你可以肯定自己不必?fù)?dān)心黑箱中是怎樣的。如果你需要一個標(biāo)準(zhǔn)的 RISC-V IP，如果你選擇了一家優(yōu)良的 IP 供應(yīng)商，你也不必?fù)?dān)心黑箱中是怎樣的。RISC-V 的不同之處是你可以讓有許可證的 IP 供應(yīng)商修改黑箱中的內(nèi)容，從而增加或修改某些東西。然后你就確實必須了解黑箱中是怎樣的了。你必須驗證它，而且你有各種真正有趣的技術(shù)可以用。其中大多數(shù)都直接建立在已經(jīng)得到良好證明的驗證標(biāo)準(zhǔn)上，需要有專業(yè)知識并且需要知道這究竟是在做什么。任何有驗證難題的地方都存在機會，RISC-V 的有趣之處在于改變一種處理器設(shè)計存在大量風(fēng)險。然后問題就變成了：如何解決這個風(fēng)險？在低功耗方面，你可以修改一些東西，在你的設(shè)計中得到一個數(shù)量級乃至更多的性能提升，這是很有吸引力的。”

比如說，他記得 Microsemi 在 DAC 2017 上展示了其工程開發(fā)團隊為一項 IoT 設(shè)計而對一款音頻處理器進(jìn)行了一些微小的修改。“這為它們帶來了 63 倍的性能提升，這實際上意味著他們可以用更老的工藝，實現(xiàn)更低功耗，從而獲得巨大的功耗優(yōu)勢。一旦他們這么做了，就必須驗證其指令集是否還是一樣，結(jié)果是否有效，能否在軟件上運行。

圖 2：Microsemi 的帶有 RISC-V 內(nèi)核的 IGLOO2 FPGA 架構(gòu)，來自 Microsemi

盡管如此，Hand 還是堅稱這個架構(gòu)還處于比較早期的階段。“我們在 RISC-V 的驗證上已經(jīng)完成的所有工作要么是通過 IP 合作伙伴完成的，要么就是直接通過標(biāo)準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境完成的。但真正吸引人的是：我們可以怎么實現(xiàn)一站式方案？當(dāng) Mentor 像西門子一樣加入 RISC-V 基金會時，其很大一部分工作是理解我們怎么向這個生態(tài)系統(tǒng)增添價值。我們希望達(dá)到這樣一個目標(biāo)：一旦合規(guī)性得到了良好的定義，我們就可以開始提供現(xiàn)成的驗證環(huán)境。只要你能做到這一點，只要你能去除定制這些內(nèi)核的風(fēng)險——你要通過驗證來去除這些風(fēng)險，那你就會看到更多采用這項技術(shù)的設(shè)計。”

想要真正實現(xiàn)這些預(yù)期設(shè)計的創(chuàng)業(yè)公司需要解決這些挑戰(zhàn)。

Hand 說：“我從實現(xiàn)和驗證兩個方面都談了這個問題。這正在催生一種新型的創(chuàng)業(yè)公司，而且這讓公司能做一些相當(dāng)創(chuàng)新的事情。你可以使用開源內(nèi)核碼或低成本的提供商來開發(fā)一款 IoT 設(shè)備。現(xiàn)在，如果有人需要找一家 EDA 供應(yīng)商，而我們說：‘那沒什么問題。現(xiàn)在你需要向我們支付 300 萬美元軟件費。’他們會說：‘這太貴了。’其中一小部分費用是為工具的license支付的，因而我們可以嘗試將一種新的產(chǎn)品推向市場，這種產(chǎn)品具備授權(quán)成本很低的特點，不需要支付昂貴的license費用，能夠修改內(nèi)核意味著現(xiàn)在你可以做一些真正酷的東西，即使使用的是傳統(tǒng)的節(jié)點，這顯然比使用前沿節(jié)點便宜許多。它的風(fēng)險更低而且現(xiàn)在你也可以看到我們 EDA 公司也開始同樣創(chuàng)新——我們讓人們獲取他們需要的工具，從而真正將這些產(chǎn)品推向市場。”

結(jié)論

盡管從當(dāng)前市場中已有的情況看 RISC-V應(yīng)用場景比較單一，但這個架構(gòu)也在開辟一些新的市場選擇，這些選擇要么仍舊不成熟，要么才剛剛開始得到關(guān)注。這種設(shè)計的靈活性能增加這些領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。但也可能增加不確定性和新的難題，因為這種架構(gòu)的不同實現(xiàn)之間可能差異很大，為一個版本開發(fā)的 IP 在另一個版本上可能效果就會不一樣。

盡管如此，RISC-V 已經(jīng)站穩(wěn)了足夠的根基，現(xiàn)在有知名的公司在支持它成為系統(tǒng)內(nèi)部的又一選擇。盡管取代其它公司或處理器設(shè)計看起來還不太可能，但看起來它本身有很強的發(fā)展勢頭和增長空間，可以與其它供應(yīng)商的處理器內(nèi)核一同發(fā)展。但要真正發(fā)揮它的潛力，可能還需要在設(shè)計工具上實現(xiàn)新型的授權(quán)模式。