RISC-V學習總結之歷史與現狀【轉載】

原創 MasterVind 2020-06-29 19:09

本文轉載自博客園—寧靜致遠：RISC-V學習總結之歷史與現狀

引言：

從2020年5月份華爲被美國下狠手，一直對半導體行業的核心領域發展甚爲關注，端午假期閒逛，發現了一偏難得的文章，介紹得很全面，還附上了有用的鏈接，便於進一步研究的鏈接，感謝“冷冷北極”的好文章。我也特意全文轉載，以饗碼友。
感言：2020年因爲各種原因必將在人類歷史中成爲備受關注的里程碑，或許這一年也是未來很大大事記的開端。

1 RISC與RISC-V

在這裏插入圖片描述
RISC發明者是美國加州大學伯克利分校教師David Patterson，RISC-V（拼做risk-five）是第五代精簡指令集，也是由David Patterson指導的項目。

1.1 爲什麼要做RISC-V指令集？

歷史上是這樣的，2010年伯克利大學並行計算實驗室(Par Lab) 的1位教授和2個研究生（下圖這三位大佬）想要做一個項目，需要選一種計算機架構來做。當時面臨的的是選擇X86、ARM，還是其他指令集，不管選擇哪個都或多或少有些問題，比如授權費價格高昂，不能開源，不能擴展更改等等。所以他們在2010年5月開始規劃自己做一個新的、開源的指令集，就是RISC-V。

接着時間到2015年，這個指令集在學術界已經開始出名了，這時爲了更好的推動這個指令集在技術和商業上的發展，3位創始人大佬做了下面兩件事情。
在這裏插入圖片描述
技術方向，成立RISC-V基金會，維護指令集架構的完整性和非碎片化。

商業方向，成立SiFive公司，推動RISC-V的商業化。

1.2 硬件構建語言Chisel

除了開發RISC-V指令集，大佬們還同步開發了用於RISC-V處理器設計的Chisel語言(Constructing Hardware in a Scala Embedded Language，硬件構建語言)。

注意不是硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）。

我們知道，數字電路設計一般使用verilog（HDL）語言進行開發。那麼Chisel是什麼呢，爲什麼可以用它來做處理器？

https://www.chisel-lang.org/index.html
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參考這個鏈接大概瞭解了一下，Chisel是一種硬件設計語言，開發的目的是爲了促進ASIC和FPGA高級電路生成和設計重用。Chisel是用Scala語言寫的一個針對硬件開發的庫（有點類似於uvm和SystemVeriolg的關係）。開發人員可以使用Chisel編寫可以生成可綜合、可參數化的verilog電路生成器。Chisel首先生成通用的verilog，然後使用的DC進行綜合。其實設計Chisel並不是用來替代verilog的，而是爲了在硬件設計中引入敏捷開發的思想解決硬件設計反饋環太長這件事情的。[3][5]

Rocket-Chip-Generator項目是SiFive的第一個RISC-V的開源處理器，使用Chisel編寫。

關於基金會目前的開源的RISC-V Core和SoC開發語言狀況，可參考基金會Github，

https://github.com/riscv/riscv-cores-list

2 RISC-V基金會

RISC-V Fundation Community，RISC-V基金會。

2.1 基金會成立

2015年，3名RISC-V發明者創辦SiFive公司，SiFive聯合以google爲首的公司作爲創始會員創立RISC-V基金會。並將RISC-V指令集所有相關的資料都交給非盈利性的RISC-V基金會來處理。並將之前所做的CPU及SOC的實現的積累都開放源代碼，就是上面提到的Rocket-Chip-Generator。RISC-V基金會目前已經吸引了全球33個國家超過325個組織加入，包括西部數據，三星，Microchip，NXP，Google等國際大廠。基金會負責維護RISC-V指令集標準手冊（riscv-spec.pdf）和架構文檔（riscv-privileged.pdf），對應Spec文檔可從官網下載，如下圖

2.2 基金會會員細則

RISC-V基金會由五個等級會員組成，包括Platinum（白金會員）、Gold（金牌會員）、Silver（銀牌會員）、Auditor（審覈員）和Individual（個人會員）。就像我們辦會員卡一樣，前三種會員每年需要向基金會繳納一定的費用，費用從$5000~25000不等，當然其各自的權利也相對高一些。如下截圖列舉了會員協議和章程，

https://riscv.org/membership-application/
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細則說明了基金會成員爲維護和發展RISC-V指令集架構所需要遵循的治理方法和貢獻原則，所有成員都有資格參加基金會任務組，並對RISC-V指令集的維護做出貢獻。

  • 白金會員，會員費用$2.5w/年，10次RISC-V研討會折扣註冊權限。會員有資格參加董事會席位選舉，並擔任基金會技術委員會、營銷委員會和工作小組成員。

  • 金牌會員，會員費用$1w/年，7次RISC-V研討會折扣註冊權限。會員有資格擔任基金會技術委員會、營銷委員會和工作小組成員。

  • 銀牌會員，會員費用$0.5w/年，5次RISC-V研討會折扣註冊權限，會有在董事會選舉中每個公開職位都有一票表決權。

  • 審覈員會員，不收取會員費，全年研討會的折扣註冊，主要針對非盈利性研究室和大學。

  • 個人會員，不收取會員費，無投票權，適用於特定公司或組織無關的個人貢獻者。

審覈員和個人會員不得將RISC-V知識產權用於商業目的，付費會員纔有商業化使用的資格。

2.3 國內加入基金會企業

大概看了一下，目前國內企業和機構在基金會中佔比不大（之前看到資料說大概25家），其中，

  • Platinum Level有阿里巴巴、華米科技、中興微（Sanechips）、晶芯科技（Andes）等；

  • Gold Level華爲、浪潮（Inspur）、樂鑫（Espressif）、芯原微（VeriSilicon）等；

  • Silver Level有芯來科技（Nuclei）、紫光同創（Pango）、全志（Allwinner）、君正（Ingenic）、兆易創新（GigaDevice）、比特大陸（Bitmian）等。

具體哪些公司是哪種會員可參加官網https://riscv.org/members-at-a-glance/。在這裏插入圖片描述

基金會除了維護技術規範的文檔外，還負責組織RISC-V會議和討論。

2019.11.26，由於擔心美國的貿易限制，RISC-V基金會總部從美國遷往瑞士。

3 SiFive公司

SiFive是2015年7月由RISC-V發明者創立的用於推動RISC-V商業化的公司。SiFive是SaaS（Software-as-a-Service）服務商，提供基於RISC-V指令集架構的商業化處理器IP、開發工具和芯片解決方案。2018年8月在中國註冊獨立公司賽昉科技(SaiFan)用於爲國內客戶提供服務。

3.1 商業化動作-開發板

SiFive商業化做了2重要的事情，即提供2塊HiFive開發板給全世界的開發者用戶，這兩塊開發板很大的推動了RISC-V生態的建設。

https://www.sifive-china.com/site/HiFive1
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3.2 SiFive提供的IP產品

我們知道，ARM Cortex分爲3個系列，即M，R和A，分別是針對應用嵌入式（Microcontroller）、實時（Real-Time）和操作系統（Application）3個領域，分別對應Cortex-M、Cortex-R、Cortex-A 3個系列。SiFive提供的RISC-V IP對標的也做了3個系列內核，如下，

  • E核，32位嵌入式內核，用於邊緣計算，AI和物聯網方向，對標ARM Cortex-M系列；
  • S核，64位嵌入式內核，用於存儲、AR/VR、機器，對標ARM Cortex-R系列；
  • U核，64位應用處理器，用於數據中心、網絡基帶等方向，對標ARM Cortex-A系列；
    在這裏插入圖片描述
    每種類型的內核又按照數字標號從低端到高端做了不同種類，2系列，3/5系列（看來大家都會默認跳過4這個編號），7系列，對標Cortex A、R、M編號從低到高可用於不同的場景。可以說是從橫向和縱向都對標了ARM系列。

3.3 題外話

我們看到目前RISC-V可以做到全系列的對標ARM，但是從市場角度來說，RISC-V還是有很多事情要做的。2017年6月20日，ARM宣佈Cortex-M0/M3處理器內核不在需要授權費用（版權費用仍需支付），免費的目標是爲了實現一萬億的出貨量。[9]
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也就是說低端的M0和M3系列用戶可以直接拿來IP先做集成使用，所以RISC-V在低端場景下是否有價格優勢是存疑的。RISC-V要做到有價格優勢，應該往高性能的發展，畢竟ARM高性能的授權費是很高的。

另一個就是生態建設，ARM經過這麼多年的發展，生態是相當成熟的，包括軟件、編譯器、APP、參考設計等。我們知道消費類產品開發是很追求實效的，如果你晚了一步上市，可能就會差很多了。從這方面來說，大家可能會更願意選擇成熟的ARM，畢竟沒有學習成本。但是反觀RISC-V，可能還或多或少有一些欠缺，所以RISC-V需要把生態鏈快速推起來。當然也不必過分悲觀，如果RISC-V快速將生態鏈建立起來，並且做得更有價格優勢的話，自然會有很多人願意選的。

還有就是高端場景，RISC-V目前沒有拳頭產品。大家如果要做一些高端的處理器，很自然的都會去選擇x86或者ARM架構（年前找工作面試看到的現象。）不同架構現在在國內都有典型的代表，如X86代表有兆芯、海光、北大衆志、瀾起（Intel、清華、瀾起聯手研發可重構計算模塊和Intel x86架構技術的新型通用CPU，2016）。ARM代表有海思、展銳等，MIPS有龍芯和君正，Alpha有申威。需要有RISC-V的領頭企業。詳細見下節國內狀態。

4 RISC-V國內狀態

主要介紹RISC-V IP和芯片廠商及相關聯盟。

4.1 RISC-V IP和芯片廠商

前面提到x86，ARM，MIPS、Alpha指令集在國內都有典型代表。那RISC-V是什麼樣的一個情況呢？
RISC-V芯片爆品不斷，遍地開花的一個情況，如下列舉部分廠商的RISC-V芯片和IP的公司。

4.1.1 RISC-V IP Core廠商和產品

  • 芯來科技，類似SiFive，提供3個級別x 4個系列RISC-V IP（900系列開發中）。
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  • 晶心科技，AndeStar™ V5架構= RISC-V + 晶心擴充架構，支持32位與64位處理器，N25及NX25非常適合網絡、儲存及人工智能（AI）等需高速控制的各種應用。
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  • 芯啓科技，SAR-T6系列、SAR-D9系列和TNA-300系列。

SAR-T6系列對標ARM Cortex-M4，面向AIoT終端、傳感器、機電MCU、輕量級智能以及衆核智能應用；

SAR-D9系列對標ARM Cortex-A9，面向醫療、通訊、工控、機電MCU、視頻音頻處理、輕量級智能、通用算法加速場景；

TNA-300對標英偉達的開源神經網絡加速器NVDLA，面向設備端AI方案。

  • 阿里平頭哥，玄鐵910 IP Core，最高支持16核，2.5GHz，單核性能可達7.1 Coremark/MHz，玄鐵910與ARM v8的高性能處理器Cortex-A72，處於同一水平。應用領域主要是5G、自動駕駛、人工智能等高端領域。
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    （關於玄鐵910的詳細介紹參考此處）

4.1.2 RISC-V芯片公司和產品（部分）

  • 紫光展銳，春藤5882，該芯片支持藍牙5.0，用於TWS藍牙耳機方向；
  • 兆易創新，GD32VF103，32位通用MCU；
  • 嘉楠，勘智K210，邊緣計算AI芯片；
  • 華米科技，黃山一號，可穿戴設備、運動健康手環；
  • 格蘭仕，BF-細滘，聯合SiFive China開發，用於物聯網、智能家居產品；
  • 優微科技，UPD350系列，USB PD 3.0控制器；
  • 時擎科技，AIoT、邊緣計算；
  • 核芯互聯，璇璣CLE系列，通用嵌入式MCU處理器，用於家電、工業控制、物聯網等領域；
  • 中科物棲，JX1和JX2，實時嵌入式設備，可替代現有ARM Cortex-M系列核心；
  • 中科藍汛，藍牙，TWS方向；
  • 匯頂科技，GM2656，微控制器，指紋和安全算法；

4.2 RISC-V相關聯盟

4.2.1 中國開放指令生態聯盟

2018.11.8，浙江烏鎮第五屆互聯網大會，中國開放指令生態聯盟（China RISC-V Alliance，縮寫CRVA）正式成立。聯盟由中國工程院院士、中科院計算技術研究所研究員倪光南任理事長，阿里-中天微、百度、北京大學、長虹集團、清華大學、騰訊、中芯國際、紫光展銳等爲副理事長單位，中國電子信息產業發展研究院爲常務副理事長單位，計算所研究員包雲崗任祕書長。組織架構如下圖：

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-VoPkT0Ga-1593056685786)(%E6%9D%A5%E6%BA%90%EF%BC%9Ahttp://crva.ict.ac.cn/?page_id=44)]
(來源：http://crva.ict.ac.cn/?page_id=44)

聯盟制定了一個“三步走”的計劃，希望用10年左右的時間，到2030年逐步完成RISC-V開源芯片生態的建立，主要包括，

● 第一步，爲開源社區提供經過流片驗證的高質量RISC-V開源核及SoC芯片設計方案；

● 第二步，逐步構建一套基於開源工具鏈、開源IP、開源工藝庫的SoC芯片設計流程，爲企業提供商業版工具與IP之外的開源方案；

● 第三步，迭代優化開源工具，提高設計驗證效率，爲大批科研機構、中小企業提供定製芯片服務，降低芯片開發門檻。

4.2.2 中國RISC-V產業聯盟

中國RISC-V產業聯盟（China RISC-V Industry Consortium，CRVIC），2018.10.17 成立。

中國RISC-V產業聯盟由國內外RISC-V領域重點企業、研究機構、和行業協會發起成立，芯原控股公司擔任聯盟首任理事長單位，目前已有五十餘家RISC-V領域相關企業以及十餘家大學和研究機構加入。
在這裏插入圖片描述

聯盟將秉承開放、合作、平等、互利的原則，致力於解決中國RISC-V領域共同面對的關鍵問題，建立中國國產自主、可控、安全的RISC-V異構計算平臺，促進形成貫穿IP 核、芯片、軟件、系統、應用等環節的RISC-V 產業生態鏈。

https://www.eet-china.com/news/201810180904.html

大概就先寫這麼多，關於RISC-V指令集的詳細內容下次分享，以上。

5 參考

[1] RISC-V官網
https://riscv.org/

[2] Chisel語言
https://www.chisel-lang.org/index.html

[3] Chisel引領敏捷硬件開發浪潮（矽說公衆號）
https://mp.weixin.qq.com/s/FYOv7otrbY0n0h9LZ_wOeQ

[4] 錯過這個點，中國芯要再落後十年？（矽說公衆號）
https://mp.weixin.qq.com/s/3ae0ri9Yxyo5jYgQUXM8LQ

[5] 核芯互聯CEO胡康橋：RISC-V與敏捷設計
https://mp.weixin.qq.com/s/mirlpAURnAFf2B-P3PFnkA

[6] Chisel是什麼
https://mp.weixin.qq.com/s/JouEBYePvqgpPj2vKv_4jQ

[7] 狂奔的RISC-V
https://www.nucleisys.com/newsdetail.php?id=180

[8] 出書、做公衆號、做網站~另類理工男的造芯之路
https://www.nucleisys.com/newsdetail.php?id=179

[9] 特大好消息，ARM Cortex-M0/M3免收授權費了
https://www.sohu.com/a/151460752_467791
http://www.chinaaet.com/topic/cortex-m0/#section2

[10] RISC-V基金會Github
https://github.com/riscv/riscv-cores-list

[11] 阿里平頭哥首次交貨——玄鐵910是個啥？是芯片嗎？
https://www.cnblogs.com/whik/p/11258546.html

[12] ARM 架構、ARM7、STM32、Cortex M3之間有什麼區別和聯繫？
https://www.zhihu.com/question/22464046/answer/21450143

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