深度：AI晶元新風口！阿里華米已入局，將撼動ARM地位

智東西（公眾號：zhidxcom）

文 | 心緣

導語：「AI晶元」這個新鮮的概念在過去一年間逐漸走過了普及的階段，越來越被大眾所熟知。在行業走過野蠻生長，開始加速落地、加速整合的過程中，也有更多的AI晶元公司也開始走出屬於自己的差異化路線。

智東西在此前AI晶元系列報道第一季之後，再次出發，進一步對AI晶元全產業鏈上下近百間核心企業進行差異化的深度追蹤報道。此為智東西AI晶元產業系列報道第二季之一。

在人工智慧（AI）時代，此前物聯網（IoT）領域的AI晶元往往身陷困局，傳統CPU算力不足，AI協處理器的面積和功耗又偏大。為了打造一款高效率低功耗的AI晶元，創企們紛紛用起存儲優先、存算一體等各種招式，還有一類招式是用RISC-V經開源設計打造的AI晶元，因其低功耗的優勢迅速在IoT行業嶄露頭角。

近兩年來，在ARM和Intel主導的競爭格局中，一個新的開源指令集架構RISC-V在晶元江湖聲名鵲起。

面對來勢洶洶的AI和IoT浪潮，RISC-V提供了一種高能效低成本解決方案，吸引了谷歌、高通、IBM、鎂光、西部數據、三星、英偉達、惠普、甲骨文、華為、比特大陸、加州大學伯克利分校、麻省理工學院、普林斯頓大學、新加坡南洋理工大學以及中科院計算所等國內外200家左右的企業和科研機構加盟。

阿里平頭哥用其主攻IoT安全功能，華米用其造出全球首款支持AI的可穿戴設備晶元組，鄰國印度將其確立為國家指令集……和其他傳統架構相比，RISC-V具有低功耗、低成本、靈活可擴展、安全可靠等四大優勢。據不完全統計，有5家科技老手和6家創業新秀的產品直接或間接的瞄準了基於RISC-V架構的AI晶元。

一、阿里平頭哥蓄勢待發，華米打響可穿戴AI晶元頭炮

RISC-V是一種基於精簡指令集計算原理建立的開放指令集架構（ISA），由2017年新晉圖靈獎得主、加州大學伯克利分校的Dave Patterson教授帶領團隊設計研發。

阿里巴巴今年9月創建的平頭哥半導體公司是由阿里巴巴全資收購的杭州中天微和阿里達摩院合併而成，主要發力於32位高性能和低功耗嵌入式CPU的IC設計。

就在合併的2周前，中天微宣布基於RISC-V的第三代C-SKY指令架構，同時發布基於RISC-V第三代指令架構處理器CK902，可靈活配置TEE引擎，支持IoT安全功能。

截至9月，中天微基於C-SKY CPU IP核的SoC晶元累計出貨量已經突破8億顆。中天微還將針對不同的產品應用場景和客戶設計需求，持續推出支持RISC-V的CPU IP系列。

此外，中天微與小米旗下的松果電子在11月宣布就RISC-V達成全方位的戰略合作夥伴關係並進行聯合開發，以中天微RISC-V CPU處理器為基礎平台，松果電子提供極具市場競爭力的SoC智能硬體產品。

同樣在今年9月，小米生態鏈首家在美國上市的公司華米科技推出了首款RISC-V架構的可穿戴設備黃山1號，並稱是全球首款支持AI的可穿戴設備晶元組。

華米的這款可穿戴AI晶元由一顆主頻可達240MHz的處理器和HeartID、ECG、ECG Pro、Arrhythmia四個AI引擎組成，實現在本地端對心率、心電、心律失常等心臟問題進行24小時低功耗實時監測分析。

其創始人兼CEO黃汪在10月的採訪中告訴智東西，和手機AI晶元不同，黃山1號可以在智能手錶中作為一款協處理器晶元，配合主處理器工作，也可以在智能手環中扮演主處理的角色。（獨家對話華米CEO黃汪：首款穿戴AI晶元背後的陽謀！）

阿里平頭哥和華米瞄準的是IoT領域，而美國的老牌FPGA供應商美高森美（Microsemi）的RISC-V相關產品則主打高速增長的醫療、工業等機器視覺系統市場。該公司不僅為嵌入式設計提供RISC-V IP內核，並為該系列產品提供完整的工具鏈和基於RISC-V+Linux+CNN加速器的AI解決方案。

美高森美與創企SiFive合作開發的RV32IM RISC-V內核使客戶能夠利用開放式指令集架構（ISA）進行設計，通過許可的BSD授權，實現全面的移植性和更安全的處理器架構。

設計人員可以將設計自由地從FPGA移植到ASIC，而無需支付權益金。此外，工程人員還可以針對其特定應用協作、修改和改編RISC-V內核，充分發揮創新水準。

除了美高森美外，另一家IP公司台灣晶心科技在近日於美國矽谷舉行的2018 ANDES RISC-V CON大會上展示了基於RISC-V的產品。

晶心科技是第一家納入RISC-V的商用主流CPU IP公司，該公司在大會上詳細介紹了使用開放來源指令集架構（ISA）的6顆內核以及開發中的4顆內核，截至上個月，晶心科技的RISC-V內核在全球擁有12家授權商，被廣泛用於儲存伺服器、指紋辨識器以及幾種AI應用中。

除了上述提及的公司外，北京君正、中興微、聯發科等很多玩家的RISC-V計劃正在進行中，西部數據、英偉達、三星等科技巨頭也分別在公共場合表露將在旗下產品中用到RISC-V架構。

硬碟巨頭西部數據在去年11月宣布，未來旗下硬碟處理器和控制器都逐漸轉移至成RISC-V架構，一旦轉型完成，預計每年將有20億個基於RISC-V架構的內核出貨。

GPU王座英偉達表示將來會把旗下的GPU控制核心替換成RISC-V核，三星半導體也被指在其Exynos 8890處理器中首次採用基於開源的RISC-V架構的自主CPU內核M1。

未來上述大公司或機構很有可能會將RISC-V運用到他們自己的雲計算設施中，以擺脫對X86的依賴或是減少昂貴的ARM指令集授權費用。據悉歐盟超算機構EPI已經決定在規劃中的兩套下一代E級超算中的其中一套用上RISC-V處理器。

二、ARM小師弟？RISC-V的誕生史

引得一眾科技巨頭為之站台的RISC-V，和當前移動終端的主流架構ARM卻是師出同門。

眾所周知，晶元江湖有兩大指令集架構縱橫天下，複雜指令集（Complex Intruction Set Computer, CISC）的代表英特爾x86在PC市場無出其右，精簡指令集（Reduced Intruction Set Computer, RISC）的代表ARM則在移動終端獨領風騷。

兩類指令集的命名都相當「集」如其名：CISC指令集約有20%的指令會被反覆使用，佔全程序代碼的80%，靠設計出儘可能複雜的指令來完成任務；而RISC的理念更加精簡，會採用固定長度的指令格式和單周期指令，優先選用最高頻使用的簡單指令。

上世紀80年代，加州大學伯克利分校的Dave Patterson教授主導了Berkeley RISC項目並從零設計出第一代處理器RISC I。因為當時市面的CPU價格太昂貴，英特爾又不肯給出x86的授權，英國Acorn公司的創始人Roger Wilson和Steve Furber設計了第一款RISC微處理器——ARM（Advanced RISC Machine）。

幾乎是同一時間，曾斯坦福大學校長的John Hennessy與其團隊設計出MIPS處理器的早期雛形，並最終孵化出後來被Imagination收購的MIPS公司。

隨著智能手機時代的到來，ARM以其低功耗、低成本和高性能的特點攻破微軟和英特爾打造的PC壁壘，迅速在移動互聯網的狂潮中建立起自己的生態，將蘋果、高通、三星等一大批巨頭攏入麾下，共同顛覆了傳統互聯網時代。

而如今AI、IoT等新興技術的爆發，處理器指令集架構大有再有改朝換代之勢。而這一輪新的變天風波的主角，正是ARM的同門師弟——第五代RISC處理器RISC-V晶元。

RISC-V是基於精簡指令集（RISC）原理搭建的全新開源指令集架構（ISA），亦由David Patternson教授帶領完成。V既指第五代，又代表變化(variation)和向量(vectors)。

秉承「大道至簡」的設計哲學，RISC-V基礎指令集只有40多條，加上其他的模塊化擴展指令總共幾十條指令。 RISC-V的規範文檔僅有145頁，而「特權架構文檔」的篇幅也僅為91頁。

相比傳言要上千萬美元的ARM指令集架構的許可證，RISC-V以其完全開源、短小精悍的模塊化設計、沒有過時定義的束縛、沒有嚴重的指令冗餘、沒有專利問題等優勢開始吸引全球初創公司和研究機構的目光。

三、國內創企方興未艾，國外創企產品已出

在科技巨頭還在放話要支持RISC-V架構之時，國內外多家創企已經積極行動起來。

今年10月29日，2008年創立於上海的企業樂鑫收到一個好消息。樂鑫「基於RISC-V指令集架構的ESP32-Marlin物聯網晶元」項目入選上海經信委對軟體和集成電路產業發展專項資金擬支持項目名單。

芯來科技比樂鑫的成立晚了10年，卻是國內第一家專註於IoT和邊緣計算領域的RISC-V處理器內核IP公司，該公司推出了用於IoT應用的N200系列超低功耗RISC-V核心IP，據稱和國外公司處於同一起跑線。

芯來科技的COO徐來告訴智東西，RISC-V和ARM間存在客觀差距，所以該公司選擇了ARM立足不問的IoT等領域。傳統的IoT領域比較封閉，不像傳統的手機處理器應用那麼依賴生態，從這個點開始逐步完善IoT領域是個不錯的策略。

其創始人胡振波是第一本RISC-V中文書《手把手教你設計CPU——RISC-V處理器篇》的作者，開發了中國第一款開放來源的RISC-V核心蜂鳥E203（Hummingbird E203）。

在蜂鳥E203面世時，胡振波目睹了國外很多專業RISC-V內核IP公司陸續出現並飛速發展，其中SiFive公司能運行Linux的四核RISC-V內核已在中國大陸市場推廣，而國內CPU業界遲遲未見行動，「著急」的胡振波毅然決然的成立了芯來科技。

而把芯來科技「逼」出來的關鍵要素之一SiFive即是美國一家從RISC-V項目團隊孵化出的基於RISC-V的定製半導體供應商，它通過開放式架構處理器核心及自主式開發基於RISC-V架構晶元來幫助SoC設計。

該公司在今年5月就完成了5060萬美元的C輪融資，華米科技也參與了該輪融資。今年6月，SiFive宣布推出其為嵌入式設備使用設計的可配置的小面積、低功耗微控制器（MCU）核心E2 Core IP系列。

除了SiFive之外，美國還有兩家RISC-V創企的創始人都師從RISC-V的開創者David Patterson，他們分別是OURS的創始人譚章熹博士和Esperanto的創始人Dave Ditzel。

OURS公司在深圳設立的中資公司睿思芯科，僅用7個月就設計出了一款基於64位RISC-V指令集的AI晶元Pygmy，採用台積電28nm製程工藝，具有12個高度可編程AI加速引擎，主要針對神經網路以及CNN演算法進行了優化，能夠支持AI圖像和語音的應用，能耗和面積明顯優於同級別Arm架構晶元。

根據睿思芯科的說法，Pygmy對比同級別的Arm晶元，能耗下降85%，面積減少80%，相當於用一般的32位處理器的面積和功耗就實現了64位處理器的性能。這款AI晶元一次性流片成功，並在11月初世界互聯網大會上David Patterson的演講中首次亮相。

另外，提供Pygmy晶元的同時睿思芯科還開發了編譯器、SDK、工具鏈，基於GCC、LLVM等開源實現，可以支撐Pygmy用戶更好的進行二次開發。

Esperanto Technologies的總裁兼CEO Dave Ditzel從事晶元工作有40年了。他在大學期間就參與了RISC-V指令集的開發，曾在英特爾工作6年，並曾領導微軟一個重要的項目團隊。

2014年，Dave Ditzel成立Esperanto Technologies公司，旨在要打造能夠以超低功耗運行AI軟體的晶元，並希望最終打造出基於RISC-V等開源標準的最強計算性能的機器學習計算系統。

目前，該公司正在設計一款單晶元上的超級計算機，採用台積電7nm製程技術，能在每個晶元上放置具有完整64位RISC-V處理器的一千個ET-Minion處理器內核。Dave Ditzel向智東西透露，明年Esperanto將有新產品投入市場。

雖然同樣是做基於RISC-V架構的處理器，法國創企Greenwaves Technologies主要面向的是來自IoT等終端市場的邊緣計算需求。

GreenWaves在今年3月推出了全球第一款RISC-V架構的超低功耗邊緣計算處理器GAP8，採用台積電55nm 55LP製造工藝，旨在邊緣端依賴電池做長期的複雜運算，可應用於噪音過濾、檢測攝像頭、納米無人機等邊緣設備，從而進一步擴展物聯網市場。

該公司CEO Loic Lietar告訴智東西，GAP8的架構使它不僅擁有比競爭對少高20倍的計算能力，而且在成本系統解決方案所需的電力方面，較競爭對手低2到3倍。

他還介紹，GAP8計劃在明年量產，而能效比GAP8提升6倍、浮點計算能力比GAP8提升2倍的GAP9將在明年12月份會進行出台，在2020年的一季度進行量產。

除了歐美國家之外，我們的鄰國印度也推出了自研的基於RISC-V架構的晶元。

印度理工大學馬德拉斯（IIT-M）研究團隊推出了印度第一個自主微處理器Shakti。該項目始於2011年，該晶元的設計基於RISC-V指令集架構，使用180nm工藝，由印度空間研究組織（ISRO）的半導體實驗室在昌迪加爾製造，可用於洗衣機、智能相機等智能設備中。 7月，英特爾位於美國俄勒岡州的工廠生產了300個Shakti的早期版本晶元「RISECREEK」。

從Shakti處理器研究團隊獨立出來的印度創企InCore Semiconductors針對從超低功耗IoT到台式計算機的邊緣系統應用，正在打造基於RISC-V的處理器內核，以及深度學習加速器和SoC設計工具，並預計將在今年年底之前推出其首款核心。

四、RISC-V如何在IoT領域比傳統CPU+AI引擎做的更好？

今年6月底，ARM曾開設了一個「質疑」RISC-V架構的網站riscv-basics.com，從成本、生態系統、碎片化風險、安全性和設計保證上對 RISC-V 進行攻擊。這一舉動被許多人解讀為ARM已經感受到來自RISC-V的威脅。在遭到了RISC-V建網站反懟並引起眾多廠商和軟體社區的不滿後，ARM在7月10日關掉該網站。

然而眾所周知，ARM在移動終端的地位穩如泰山、堅若磐石，「後來者居上」的可能性極低。那麼為什麼RISC-V這幾年發展速度遠超過其他處理器？它又為什麼會被稱為是IoT領域最適合的處理器架構呢？

總的來說，RISC-V指令集架構具有低功耗、低成本、開源開放、可模塊化、簡潔、面積小、速度快等優點，與IoT場景需求碎片化的、可定製化的特性十分契合。

1、低功耗

通常每個AI晶元在CPU上的耗能非常高，會致使整個續航能力下降。而RISC-V適合用於高效設計實現，開發者可根據應用需求靈活剪裁，再加上其全部RISC-V指令不超過50個，因此其內核面積更小，相應的功耗越低，能以極低的能耗來實現高效的AI元器件的運行。

華米創始人兼CEO黃汪告訴智東西，手機晶元需要不斷使用最新的製程，而IoT晶元使用55nm/40nm非常成熟的半導體工藝就可以製作，55nm流片的工藝成熟度使得代工廠商的可選性很多，大陸、台灣、新加坡的均可，這就降低了依賴性。

2、低成本

RISC-V允許任何人免費設計、製造和銷售RISC-V晶元和軟體，無需像ARM那樣購買昂貴的架構許可證。

據黃汪介紹，市面上不具備AI而只具備同樣主頻的晶元成本一般在2美金左右，而具備AI功能的晶元成本少於1美金，RISC-V在成本和功能上都大大躍進了一步。不同於手機晶元動則需要投入幾億美金，做顆晶元流片量產幾千萬人民幣，不會太費錢。

GreenWaves創始人兼CEOLoic Lietar也提到，其GAP8產品在成本系統解決方案所需要的電力方面，比它的同等其他的替代競爭對手要低2到3倍。

做處理器不僅要考慮硬體設計，還要考慮用它來進行編程的用戶，所以也包含了工具鏈和相關生態建設。芯來科技COO徐來還提供了另一個角度，如果由一家公司承擔這些建設，時間和資金投入的成本都會非常高，比如英特爾就花了幾十年來做生態建設，而由於RISC-V是一個標準化指令集架構，很多不同公司和個人會參與到生態建設，均攤了研發成本。

3、靈活可擴展

RISC-V是一個模塊化的架構，其不同部分能以模塊化的方式串在一起，從而試圖通過一套統一的架構滿足各種不同的應用。

由於IoT場景非常廣泛和碎片化，需要為數千種以多種不同方式連接世界的應用案例來設計晶元，因此可擴展的架構成為終端運算的關鍵。

和不同系列相互不兼容的ARM相比，RISC-V具有能夠靈活地擴展指令集的優勢，可以新增專用指令，也可以擴充邊緣運算裝置所需的運算資源，不僅能實現超低功耗的複雜AI計算，而且有助於推動架構創新以達到更高的能效。a

另外，x86、ARM、MIPS等架構的知識產權都屬於某個特定的外國公司，無法在指令集架構上按自己的想法做修改和擴展，而且在工具鏈做的修改是沒有人維護的。

特別是在IoT領域，徐來認為，比如在智能感測器等設備，只需要有限指令集，晶元面積又要求儘可能小，在這種情況下需要對現有處理器進行剪裁。相對於不能修改的x86、ARM等傳統指令集架構，RISC-V因其開放性可以做一些剪裁。

而且IoT設備會長時間重複運行幾個應用，不會像PC或手機那樣需要安裝和卸載不同應用，因此不存在對軟體兼容性的依賴問題。

因其可擴展性，RISC-V的應用範圍非常廣闊。Loic Lietar表示，RISC-V指令集設計的目標是能夠滿足從微控制器到超級計算機各種尺寸處理器的需求，不過目前看到的更多的是RISC-V IoT終端處理器。

4、安全可靠

採用ARM等封閉式架構內核的平台，開發者看不到源代碼，所以無法了解門級電路設計細節。一旦出現問題，開發者將不得不給原架構提供商打電話派人來解決問題。

不過RISC-V可以解決這一問題。RISC-V的用戶可以查看內核的所有細節，可以全面檢查每一行代碼以確定系統的安全，甚至根據需要定製化自己的安全模塊。相對於ARM，對產品安全要求高的人可能會更能接受RISC-V。

結語：RISC-V有望加強中國處理器IP的話語權

儘管從市場的實際情況來看，RISC-V取代ARM在移動終端等核心業務中的地位基本無望。但業界普遍認為，在IoT等新興的邊緣領域，RISC-V與ARM處於同一起跑線，兩者將形成正面競爭，RISC-V在成本等方面具有優勢，Arm在生態等方面具有優勢。因此，RISC-V是很有希望促使中國加強處理器IP的話語權，推動產品創新和差異化，建立自主可控的產業生態。

如今國內的RISC-V生態建設正在快速推動中，從5月，上海發布國內首個明確表示支持RISC-V的政策，到9月，中國RISC-V產業聯盟在上海成立，再到11月，中國開放指令生態（RISC-V）聯盟在烏鎮宣布成立。

產業聯盟的多家企業表示，RISC-V的開源將大大降低指令集修改的門檻，有利於中國發展自主可控的處理器，擺脫國外的制約。

不過，技術的先進性不代表商業就能成功，生態問題始終是制約一個架構發展的最大瓶頸。ARM之所以能制霸移動終端，除了它在技術上的優勢外，抓住時機、迅速建立起生態亦是關鍵。但生態建設並非一蹴而就，隱藏在生態問題背後的政策、資金、人才等多方面的壓力都在制約著RISC-V在國內的發展。

要實現國產RISC-V自主可控發展，不僅要迅速行動抓住時機，還應以市場為導向，找准適合的市場定位和客戶群。在真正對ARM造成威脅之前，RISC-V距離成為主流架構還有很長的路要走。

PC時代成就了英特爾x86，移動時代成就了ARM，那麼AI和IoT時代成就的會是RISC-V嗎？

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