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    •  01、RISC-V如何适用于AI应用?
    •  02、大厂的押注与布局
    •  03、中国是RISC-V的重要基地
    •  04、RISC-V的商业化落地
    •  05、加速与AI融合
    •  06、机遇众多,挑战亦然
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与AI共舞,RISC-V芯片加速落地生根

05/11 09:22
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作者:丰宁

环顾当下芯片产业的关键词,RISC-V一定位列其中。

计算机诞生以来,指令集架构一直是计算机体系结构中的核心概念之一。目前市场上主流的指令集架构两大巨头是x86和ARM,前者基本垄断了PC、笔记本电脑和服务器领域,后者则在智能手机和移动终端市场占据主导地位。近年来,随着全球对芯片自主可控需求的增长以及物联网、边缘计算等领域的需求不断扩大,RISC-V在学术界和工业界得到了广泛关注和应用,逐渐成为第三大指令集架构。

2023年,RISC-V架构在更多实际应用场景中得以落地生根,从物联网设备、边缘计算逐渐迈向AI计算、高性能计算等领域。

在AI时代,RISC-V更是迎来爆发的新机遇。硅谷芯片传奇Jim Keller表示,“RISC-V的潜力是无限的。未来我们会迎来前所未见的AI软件应用,而RISC-V有望打造出下一代的AI引擎。”

那么,RISC-V究竟有着怎样的魔力?它又是如何在AI时代掀起一场科技风暴的呢?

 01、RISC-V如何适用于AI应用?

进入2023年,AI让芯片的算力得到无与伦比的表现。随着AI算法对硬件算力的渴求到达前所未有的高度,传统的芯片架构正面临着前所未有的挑战。因此,实施专用架构、针对AI算法进行特定优化的芯片设计,已成为满足高算力需求的新趋势。

指令集简单便于扩展、成本低

ARM与X86,作为老牌指令集,它们内部历史遗留指令太多,后续工程师很难再对现有指令进行更新或添加。很多读者或许下载过ARM官方的文档介绍,几千页读下来,熟练掌握尚且困难,推陈出新更是难办。多指令模式更为ARM架构设计增添了复杂性。因此,在指令集的扩展方面,更富活力的RISC-V天然具有极大优势,毕竟开源、精简是RISC-V的一大特长。

与此同时,开源也带来了另一个重要的好处,那就是降低了RISC-V的技术门槛和成本。任何人都可以获取RISC-V的源代码,根据自己的需求进行定制和优化,而无需支付高额的授权费用。

契合边缘AI

RISC-V并不是适合所有的AI模型。很明显,在AI大模型方面,由于其需要的极高算力与超高的相关资源消耗,让几乎所有RISC指令集望而却步。以ChatGPT这类大模型为例,据OpenAI测算,ChatGPT训练阶段总算力消耗约为3640 PF-days(约1PFLOP/s效率跑3640天),GPT-3训练成本预计能达到500万美元/次。边缘AI无法承载大模型对算力的高需求,瞄准单一领域、对算力要求相对低的小模型AI则可以施展拳脚,RISC-V的机会就来了。尤其是物联网领域,RISC-V已经展现出了优势。

与AI算法相匹配

从算法角度来说,更高自由度的RISC-V指令集恰好与需要更快速迭代与高算力的AI算法相匹配。众所周知,RISC-V具有高度的可扩展性和模块化特点,这也意味着设计者可以根据具体的应用需求进行裁剪和定制,因此可以更好地适应不同的AI算法,包括深度学习、神经网络等。

 02、大厂的押注与布局

在技术创新和市场需求的双轮驱动下,RISC-V发展潜力尽显。在此趋势下,各大芯片巨头纷纷投身其中,共同探索RISC-V的广阔前景,以期在未来的竞争中占据有利地位。这其中包括苹果、英特尔、高通瑞萨英飞凌恩智浦博世等。

究其原因,各大芯片厂商之所以纷纷押注RISC-V领域,背后究竟隐藏着怎样的考量与布局?

对于任何一个芯片大厂而言,在ISA的选择上都是相当谨慎的。ISA不仅决定了芯片开发的难易程度,也决定了与之绑定的软件和开发生态,甚至可能会影响到市场面临的竞争。

当前,移动芯片市场的性能之争愈演愈烈,不论高通、英伟达,还是三星、苹果,实际上它们都是基于Arm架构开发的,都属于Arm联盟的成员之一。目前为止,Arm已经占据了智能手机芯片领域95%以上的市场份额,包括平板电脑等。

过于依赖软银集团旗下Arm公司的技术可能会给自身带来一些风险,2022年底Arm就曾因知识产权问题起诉过高通。

此外,Arm技术不仅在智能手机中无处不在,当下正迅速扩展到大型设备、数据中心和汽车用途。

汽车业务也是高通的核心业务之一,尤其是智能座舱系统。如今包括英特尔在内的其它大型半导体芯片制造商也表示,他们未来将支持RISC-V芯片的开发。这可能会给高通带来更多动力。在2022的RISC-V全球峰会上,高通高管宣布,早在2019年发布的骁龙865 SoC中,高通就已经将RISC-V用到了微控制器的设计中,并已经出货了上亿个RISC-V核心。

瑞萨作为MCU大厂之一,尤其是在汽车领域,经过多年的积累与开发,旗下已经有了多条MCU产品线。在32位MCU上,有基于自研CISC内核的RX系列,也有基于Arm Cortex-M架构的RA系列。即便如此,瑞萨还是决心开拓第三条产品线,而这条产品线正是基于RISC-V架构。

英特尔对推进RISC-V也颇有兴趣,2022年英特尔大力扶植RISC-V——以Premier(高级会员)的身份,加入了RISC-V International基金会。与此同时,它还设立了10亿美元 (约合人民币64亿)的IFS基金,用于扶持初创和成熟企业进行代工生态的创新,其中很大一部分用于RISC-V。

IFS 计划提供一系列经过验证的 RISC-V IP 内核,并针对不同的细分市场进行了性能优化,确保 RISC-V 在 IFS 芯片上跨所有类型的内核(从嵌入式到高性能)运行最佳。同时将提供三种类型的 RISC-V 产品:基于 IFS 技术制造的合作伙伴产品;RISC-V 内核被许可为差异化 IP;利用先进的封装和高速芯片间接口,提供基于 RISC-V 的小芯片构建块。

其实,英特尔在很早之前就在RISC-V路线上有所动作,2021年英特尔就推出了基于RISC-V架构的Nios V处理器。在此之前,英特尔还欲花费20亿美元收购RISC-V芯片设计公司SiFive,但最终并没有成功,不过这也让大众看到了英特尔面对 RISC-V 的心态。

RISC-V CEO Calista Redmond 表示:“RISC-V 的开放合作已经引发了半导体行业的深刻转变,这种合作伙伴关系将加速开放计算的创新。”

英特尔研究院副总裁、英特尔中国研究院院长宋继强表示,英特尔中国研究院专门把RISC-V这个开放开源的指令集列入研究领域,是因为中国在这一领域的影响力比较明显,在RISC-V国际基金会高级会员里,接近一半是中国企业或者学校。另外,中国还有政府方面的引导,想让RISC-V成为未来自主创新的重点。因此,中国未来在RISC-V发展上一定会走的很好。

接下来看一看,中国在RISC-V赛道的布局。

 03、中国是RISC-V的重要基地

据RISC-V International统计,2022年全球采用RISC-V架构的处理器出货量超过100亿颗,仅用12年就走完了传统架构30年的发展历程,预计未来几年RISC-V采用率将以40%年复合增长率增长,2030年RISC-V架构芯片更有望突破160亿颗。而这100亿颗出货量中,有近一半来自中国,中国的巨大市场将成为支撑RISC-V的重要基地。此外,在RISC-V基金会会员当中,中国企业占比也近一半。

中国工程院院士倪光南在3月2日召开的首届玄铁 RISC-V 生态大会上表示:“可以毫不夸张地说,今天RISC-V是中国CPU领域最受欢迎的架构,中国芯片产业和整个芯片生态将会越来越多地聚焦于RISC-V架构,中国的巨大市场将成为支撑RISC-V的重要基地。”

据悉,包括IP内核与芯片设计等主要内容在内,中国目前有300家以上公司在关注RISC-V或以RISC-V指令集进行开发。

如今,国内已成立了RISC-V产业联盟,集结了包括华为、阿里云、紫光展锐、华米科技等在内的众多知名企业,共同推动RISC-V在国内的生态建设。联盟通过搭建合作平台、举办研讨会、推动标准制定等工作,加快了RISC-V技术在中国的落地与应用。

中国科研机构和企业积极投身于RISC-V芯片的研发,取得了一系列关键技术突破。如中科院、清华大学等高等学府和科研机构,以及平头哥半导体、芯来科技等初创公司,都在RISC-V处理器设计、软件生态构建以及应用解决方案等方面展现了不俗实力。

同时中国企业在RISC-V架构上开发出了丰富的处理器产品,涵盖嵌入式、物联网、边缘计算、数据中心等多个领域。例如,阿里平头哥推出的玄铁系列处理器,以及芯来科技针对物联网领域的多款MCU芯片等。除了上述公司外,芯原股份、中科蓝讯、兆易创新、赛昉科技、全志科技、晶心科技、先楫半导体、中科蓝讯、泰凌微电子、乐鑫科技、中微半导体、航顺芯片、国芯科技、芯昇科技、博流智能、纳思达、晶视智能、方寸微电子等诸多厂商均展现了强大的研发实力和优秀的产品。

泰凌微电子的RISC-V芯片产品主要应用于物联网领域,如智能穿戴、智能家居等,其RISC-V处理器在连接性、功耗和性能等方面表现出色,为用户提供了稳定的无线连接体验。芯原股份在RISC-V领域推出了多款高性能的处理器IP,这些IP可广泛应用于物联网、智能家居、可穿戴设备等领域;中科蓝讯的RISC-V芯片产品主要面向蓝牙音频市场,如蓝牙耳机、音箱等;兆易创新在存储和MCU领域有着深厚的积累,其RISC-V芯片产品结合了存储和计算的优势,可应用于工业自动化、智能家居等领域;赛昉科技提供了一系列基于RISC-V指令集的处理器和SoC产品,这些产品适用于从边缘计算到云端的各种应用场景......

 04、RISC-V的商业化落地

从目前出货情况来看,RISC-V芯片早些年更多是集中在低算力的MCU市场以及生态依赖性低的物联网领域。比如:物奇除了推出WiFi数传芯片,还早就推出并量产了基于RISC-V的电力线载波芯片,可应用于智能表、能源管理系统、汽车-PEV和充电站、远程抄表设备、太阳能、工业应用等领域,2019年时披露该款芯片出货量就已达到百万颗以上。

乐鑫科技,在WiFi MCU领域拥有领先地位,自2020年后的新产品都全部使用自研的基于RISC-V指令集的IP。

泰凌微,以低功耗蓝牙SoC为主要产品,其最新一代产品TLSR9系列就采用了RISC-V架构并经过认证。

除了在IoT市场,RISC-V在服务器、汽车等领域也有发展空间。比如:算能的RISC-V CPU SG2042服务器集群,可以为下一代云计算人工智能、数据分析提供支撑。超睿科技规划了A系列(高性能)、AE(高可靠性)、E系列(高能效)三个系列。A系列着重考虑性能,适用于桌面、服务器等应用场景,可落地于云计算、HPC、AI以及智能座舱等领域。

在玄铁RISC-V生态大会上,中国科学院软件研究所展示了基于RISC-V的开源笔记本电脑“如意BOOK”。这台电脑综合续航达12小时,集成了支持语音对话与文字交互的第三方大模型AI助手。如意BOOK搭载玄铁C910处理器、openEuler操作系统,可流畅运行钉钉、Libre Office等大型办公软件,首次打通了从底层芯片到操作系统到商用软件的RISC-V全链路。

在汽车领域,已有头部客户使用玄铁,达摩院会对可靠性、包括高实时的处理器做更多布局。

通信领域,比科奇将RISC-V应用在5G基带芯片。其第一颗高性能、低功耗5G小基站物理层SoC芯片PC802已经规模化量产。

机器人领域,亚博智能推动RISC-V首次进入ROS机器人领域,基于玄铁处理器的Mlik-V Meles开发板研发SLAM建图与避障导航小车。

在ICT领域,降低算力功耗和成本的需求为基于RISC-V定制的云网设备带来了增量空间。中国电信研究院采用玄铁RISC-V研发云桌面、AI边缘盒子等新硬件,打造“端-边-云”全链应用。

此外,在电力行业,国网智芯公司基于玄铁处理器研发出面向工业应用的AI芯片,用于变电智能巡视、源网荷储协同调度等场景。

 05、加速与AI融合

根据SHD的数据显示,RISC-V基金会在2015年时仅有17家会员,到2023年底就已经达到了4037家。同时,SHD集团预测,自2022年至2030年,RISC-V在主流市场年复合增长率将高达40%。基于RISC-V指令集架构的芯片的年出货量将由6亿颗增长至160亿颗。在MCU、笔记本电脑、5G、工业、消费类AI、汽车AI等主流应用中的占比将达到约30%。

在刚刚过去的一年时间里,RISC-V生态获得了进一步的发展。因此,2023年也被认为是RISC-V的突破年。

2023年5月,Meta基于RISC-V架构推出首代AI推理加速器;2023年6月,谷歌、英特尔、英伟达、高通、阿里等13家企业发起的全球RISC-V软件生态计划“RISE”正式启动,旨在加速RISC-V的软件生态建设及应用商业化进程,成员将联合推动RISC-V处理器在移动通信、数据中心、边缘计算及自动驾驶等领域的市场化落地,阿里是中国大陆唯一董事会成员;2023年10月,高通宣布将与谷歌合作推出基于RISC-V架构、支持Wear OS系统的智能穿戴芯片,并将在全球市场进行商用推广。

与此同时,可以明显看到这些芯片行业的领军企业不仅在RISC-V赛道加码布局,还将更多的注意力放在了RISC-V与AI的深度融合上。

消费电子领域,达摩院宣布玄铁处理器家族全新迭代升级-玄铁C907首次实现矩阵运算(Matrix)扩展,为未来AI加速计算提供更多选择,并将集成到其他玄铁处理器中;下一代旗舰处理器C930也将将持续向更高性能演进,显著提升AI计算处理能力,预计将于年内推出。

奕斯伟计算等厂商已推出基于RISC-V的边缘计算AI芯片,具备强大视频编解码能力和丰富接口,满足多种应用场景需求。跃昉科技和睿思芯科等也是RISC-V在AI领域的佼佼者,提供高性能处理器IP核和定制芯片解决方案。

近日,三星也有所动作。三星旗下SAIT(前身为高级技术学院)在硅谷建立先进处理器实验室(APL),专门从事AI芯片设计。这支新加强的研发团队将充分利用RISC-V架构的开放性和灵活性,设计和优化新一代AI芯片。三星APL研究所的最终目标是设计自己的基于RISC-V的AI芯片。历史上,三星曾基于ARM产品设计过Exynos等尖端半导体芯片。

据悉,三星此次加强研发团队,旨在提升其在AI芯片领域的研发能力,进一步推动AI技术的发展,同时也是为了应对英伟达等竞争对手的挑战。英伟达在AI芯片市场占据领先地位,而三星希望通过推出基于RISC-V架构的AI芯片,打破现有的市场格局。

 06、机遇众多,挑战亦然

无论是各地兴起的RISC-V热潮,还是从全球芯片巨头的态度和布局中都能看到,RISC-V必然是一个重要选择。

RISC-V之父、图灵奖得主David Patterson也表示:“RISC-V是一个全球现象,有超过60个国家的开发者们在研究它,几年后RISC-V将无处不在!”他甚至断言,到本世纪末,未来产品开发的主导ISA将是开放的RISC-V架构。

这不仅是一个趋势,更像是一场技术革命的爆发。

SHD Group预计,2030年基于RISC-V的SoC营收更是预计高达920亿美元,复合年增长率高达47%。

然而,RISC-V要实现广泛的市场应用,还有许多挑战需要面对,比如其生态系统仍然相对落后于其他主流指令集架构,如ARM和x86。要实现广泛的市场应用,RISC-V需要在软件兼容性、开发工具、操作系统等方面加强生态建设。其次,在一些高性能计算场景下,其技术成熟度仍然不足。要在更激烈的市场竞争中取得优势,RISC-V需要在性能、功耗和成本等方面进一步优化。在商业模式与合作方面,由于RISC-V的开放性,企业在使用和发布RISC-V产品时也面临着一定的商业挑战。

这里以Semidynamics 创始人兼CEO Roger Espasa的话结尾:RISC-V是从底部开始做起的,如今已经到了中高端,包括服务器,当然需要一定时间发展壮大。最终会进入到HPC、GPU,以至于全覆盖。

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