來源：內容來自半導體行業觀察（ID：icbank）「semiengineering」，謝謝。

RISC-V 指令集架構最早是加州大學伯克利分校一個為了提升能源效率的項目，現在在整個行業中的發展勢頭強勁。

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

SiFive 聯合創始人兼首席架構師及 RISC-V 基金會主席 Krste Asanovic 說：這項技術的一大關鍵市場是很多公司的存儲控制器。他描述說這是與內存的集成，加上插在伺服器後面的 PCIe 從屬設備，可以提供性能非常高的快閃記憶體存儲。

另一個活躍領域是人工智慧/機器學習的向量擴展。Asanovic 一直在 RISC-V 基金會領導這方面的工作，而且 SiFive 也正在開發支持 AI 機器學習的向量的內核。

他說：「很多公司都對這個領域有興趣。現在有很多用於 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於這一領域內的演算法變化非常快。這是一個非常活躍的領域。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。希望我們正在研發的先進向量擴展能夠非常接近專用功能單元，同時又能有適用於這一領域大量不同演算法的靈活性。」

Asanovic 認為 AI 機器學習是 RISC-V 的一個重要注入點，尤其是因為這一領域目前還沒有提供軟內核（soft core）的公司。「我們定義的向量擴展比其它 ISA 更加先進。這是導致人們進入 RISC-V 領域的一個原因。」

圖 1：SiFive 的 HiFive1 開發套件，來自 SiFive

第三個活躍的領域涉及到 minion 內核（即管理內核）。他解釋說：「現在大多數 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 的內存，而且客戶們也正在尋找能在大型 SoC 上『幹家務活』的嵌入式控制器。在大型 SoC 上通常有數十個這種內核，但它們需要有一個 64 位的地址空間，而且需要緊湊。現在這一領域確實還沒有任何東西，所以 64 位嵌入式空間是 SiFive 重點關注的地方之一。在這一領域，英偉達已經公開宣布他們正在設計他們自己的內核，但那是他們的用例，他們也正在為這些微控制器而轉向使用 RISC-V。」

Cadence 的 Digital & Signoff 組的產品管理總監 Dave Pursley 對 RISC-V 架構的擴散有相似的看法。他說：「這個領域各個地方都表現出了這種現象，到處都是，也就是整個市場。很多小型公司已經在談論 RISC-V 了，但一些大公司對此也有準備。所以解決方案不止一種，而且它們都各有優劣。」

ANSYS 公司半導體事業部首席軟體開發者 Allen Baker 說，RISC-V 規範的開放性促進了大量開放式處理器設計的發展。這些處理器有很廣泛的應用範圍，從適用於重型 Linux 伺服器的 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：一些實現已經成功流片，並且工作狀態良好。從 EDA 開發者的角度看，開放式 RISC-V 設計為現代設計的構建方式提供了很有價值的見解，並且可用作工具測試的靈活測試案例。我們已經觀察到了一個趨勢：使用高級參數（比如內核數量、緩存大小）來實現對設計的輕鬆配置並使用定製 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 軟體結合起來，可以使設計分析和優化更容易獲得，也更加的便宜。

實現的應用也各有不同，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，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。這些正在向前推進的公司真的很喜歡它的可擴展性和可定製性。你可以去除一些代碼，也可以加入一些代碼。在這方面進行推進的往往是一些小公司，它們正在尋找一種為機器學習等應用得到定製指令集的快速簡單方法。他們想做的基本上就是儘可能地剝離掉一切，與此同時又在激活函數等部分內增加一些東西，或者也許會根據最終應用加入加密函數、張量操作（數組和數據空間操作）等。這些都是他們希望加入的東西，取決於確切的應用。這也是 RISC-V 架構的一大優勢。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 指出在設計用於實現 RISC-V 的工具上並沒有任何特定的需求。「有一大優勢是我們可以用Chisel生成Verilog，並且我們知道Verilog有很多工具都可以應用）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，可以與供應商工具良好地協同工作，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）。這是我們發現處理器生成器生成 Verilog 的一大好處。實際上，我們在後端和模擬流程中也都發現了這一點，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核一樣使用，這是很好的。」

創新許可

UltraSoC 公司 CEO Rupert Baines 說 RISC-V 有一個吸引人的地方：公司可以根據自己的特定需求優化內核設計。「實際上，每個想要架構許可的人都有許可。」

儘管有一些商業內核供應商在關注低功耗，但也有一些 SoC 公司在為自己的特定應用進行非常緊密地優化。比如說，Codasip 去年就演示了優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 這麼做。Baines 說，區別在於 RISC-V是一個基於行業標準的 ISA 和生態系統，而不是專門定製的架構設計。

EDA 供應商和大型晶元公司已經這麼做了很多年：降低功耗的最好方法是在架構層面。實際上，功耗需要在設計過程中預先考慮，這樣在調整設計時會更容易。

西門子旗下 Mentor 的設計驗證技術部市場總監 Neil Hand 說：「RISC-V 吸引人的地方在於設計者可以修改指令集，可以修改實現方式，可以和不同的供應商合作。但在做這些事情時，設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與 RISC-V 供應商建立了新的關係或增強了已有的關係。Hand 說：「當你想要為一項 RISC-V 設計進行低功耗優化時，這實際上就是最大的那個難題；實際上任何設計都是這樣，甚至高性能優化也是如此。你必須確保這些東西仍然有效，這可不容易。」

RISC-V 設計和驗證流程與其它流程（比如基於 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麼以及理解如何評估設計。Hand 說：「如果你需要一個 ARM 設計，你可以選一個現成的 ARM 設計，你可以肯定自己不必擔心黑箱中是怎樣的。如果你需要一個標準的 RISC-V IP，如果你選擇了一家優良的 IP 供應商，你也不必擔心黑箱中是怎樣的。RISC-V 的不同之處是你可以讓有許可證的 IP 供應商修改黑箱中的內容，從而增加或修改某些東西。然後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可以用。其中大多數都直接建立在已經得到良好證明的驗證標準上，需要有專業知識並且需要知道這究竟是在做什麼。任何有驗證難題的地方都存在機會，RISC-V 的有趣之處在於改變一種處理器設計存在大量風險。然後問題就變成了：如何解決這個風險？在低功耗方面，你可以修改一些東西，在你的設計中得到一個數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團隊為一項 IoT 設計而對一款音頻處理器進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，實現更低功耗，從而獲得巨大的功耗優勢。一旦他們這麼做了，就必須驗證其指令集是否還是一樣，結果是否有效，能否在軟體上運行。

圖 2：Microsemi 的帶有 RISC-V 內核的 IGLOO2 FPGA 架構

儘管如此，Hand 還是堅稱這個架構還處於比較早期的階段。「我們在 RISC-V 的驗證上已經完成的所有工作要麼是通過 IP 合作夥伴完成的，要麼就是直接通過標準方法和標準環境完成的。但真正吸引人的是：我們可以怎麼實現一站式方案？當 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麼向這個生態系統增添價值。我們希望達到這樣一個目標：一旦合規性得到了良好的定義，我們就可以開始提供現成的驗證環境。只要你能做到這一點，只要你能去除定製這些內核的風險——你要通過驗證來去除這些風險，那你就會看到更多採用這項技術的設計。」

想要真正實現這些預期設計的創業公司需要解決這些挑戰。

Hand 說：「我從實現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業公司，而且這讓公司能做一些相當創新的事情。你可以使用開源內核碼或低成本的提供商來開發一款 IoT 設備。現在，如果有人需要找一家 EDA 供應商，而我們說：『那沒什麼問題。現在你需要向我們支付 300 萬美元軟體費。』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品推向市場，這種產品具備授權成本很低的特點，不需要支付昂貴的license費用，能夠修改內核意味著現在你可以做一些真正酷的東西，即使使用的是傳統的節點，這顯然比使用前沿節點便宜許多。它的風險更低而且現在你也可以看到我們 EDA 公司也開始同樣創新——我們讓人們獲取他們需要的工具，從而真正將這些產品推向市場。」

結論

儘管從當前市場中已有的情況看 RISC-V應用場景比較單一，但這個架構也在開闢一些新的市場選擇，這些選擇要麼仍舊不成熟，要麼才剛剛開始得到關注。這種設計的靈活性能增加這些領域的創新能力。但也可能增加不確定性和新的難題，因為這種架構的不同實現之間可能差異很大，為一個版本開發的 IP 在另一個版本上可能效果就會不一樣。

儘管如此，RISC-V 已經站穩了足夠的根基，現在有知名的公司在支持它成為系統內部的又一選擇。儘管取代其它公司或處理器設計看起來還不太可能，但看起來它本身有很強的發展勢頭和增長空間，可以與其它供應商的處理器內核一同發展。但要真正發揮它的潛力，可能還需要在設計工具上實現新型的授權模式。

致謝

本文由電子科技大學低功耗集成電路與系統研究所黃樂天老師和明小滿同學協助校對，特此感謝！

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