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RISC-V前进AIoT 商用生态系成形
晶心、智原与SiFive前线直击RISC-V开发要点

【作者: 吳雅婷】2020年05月05日 星期二

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开源指令集架构RISC-V在物联网时代独辟蹊径,集结产学界软硬体研发资源,刺激更快速上市、更弹性且更高效能的处理器开发,如今可供商用的生态系逐步成形。对此,RISC-V开发前锋晶心、智原与SiFive将更深入探讨相关发展契机与挑战。


物联网时代来临,处理器开发商正面临着牵涉多方技术考量的设计难题,如何在上市时间、开发弹性与性能表现之间达到获取商机的平衡点,成为市场领导地位存亡的关键。


因此,除了持续升级既有硬体架构与扩充软体开发资源,开创全新的处理器开发环境与商业模式,渐渐成为炙手可热的可行解决方案。2010年由柏克莱加州大学(UC Berkeley)着手研发的RISC-V,便以其开放性和设计弹性带动了一连串热烈讨论。


藉由开放原始码与采用精简指令集(reduced instruction set computing;RISC),RISC-V在後摩尔时代独辟蹊径,以创新的处理器设计环境与商业模式作为诱因,成功集结了产学界的软硬体研发资源,大力推动新一代处理器的开发。


RISC-V在研发初期便由微软和Intel资助,後来还成立了非营利的RISC-V基金会,进一步整合全球的跨界开发资源。其创立会员不乏Google、高通、NVIDIA、AMD、Microchip等科技巨擘,且全球会员总数迅速成长,至2020年第一季已逾530位。其中,2019年的年成长率便高达60%,成为近期格外热门的讨论焦点。


其他看好RISC-V的产业支持者,如Western Digital希??藉由这个全新的指令集架构,将记忆体从以运算为主的系统架构分割出来;Microchip则已开发出RISC-V微处理器子系统;三星也已将RISC-V应用在Exynos和Isocell处理器晶片,并预期能扩展应用至人工智慧和安控晶片。


此外,市调机构Semico乐观预测,2025年全球市场将有超过624亿颗采用RISC-V的处理器核心。该机构更指出,工业应用将成为主要成长因素,使用量预计将高达167亿颗;成长速率最快的则是通讯应用,主要驱动力为5G商用後的相关产品开发。



图一 : 根据市调机构Semico的预测,2025年全球市场将有超过624亿颗采用RISC-V的处理器核心。(source:Semico)
图一 : 根据市调机构Semico的预测,2025年全球市场将有超过624亿颗采用RISC-V的处理器核心。(source:Semico)

针对这波RISC-V商机,市调机构Tractica预估,RISC-V全球市场营收至2025年将高达11亿美元,营收来源包括采用RISC-V架构之IP、软体和开发工具,且亚太地区获利将占据半数。


由此可见,RISC-V不仅成功跨出实验室,更在产业道路上加速前进,其生态系在商用开发上仍持续扩张,让人不禁期待,这股动能会持续多久?又会对市场发展产生什麽影响?


因此,本文邀请了台湾与美国两地的RISC-V处理器开发先锋,包括晶心科技、智原科技以及SiFive,他们将现身说法RISC-V处理器市场的关键趋势与开发重点。


晶心催生最隹化设计 布建RISC-V客制化指令开发工具

「RISC-V用减法完成设计,更有机会渗透至新兴应用,善用客制化延伸指令就能实现最隹化设计。」晶心科技总经理林志明

深耕CPU设计与IP开发的晶心科技,为RISC-V基金会创始白金会员,至今已推出11款RISC-V处理器核心。今(2020)年初在厌贺成立15周年之馀,更宣布采用晶心IP之核心全球累积总量立下了50亿颗的里程碑。且就2019年的SoC年出货量便创下15亿颗的最高纪录,年成长率高达50%。


晶心科技早先踏入RISC-V全球供应链,前景见好。晶心科技总经理林志明对此展现深入开发的决心与信心:「我们已经推出了支援RISC-V的处理器系列V5,该系列的销售占比更於2019年首度超越前一代处理器系列V3,显现晶心将持续为5G、AI、AR/VR、云端运算和IoT等新兴应用提供最隹化的开发资源。」


晶心的V5系列提供开发人员齐全的32/64位元处理器选择,从功能最精简且高效率的Andes Core 25系列,到支援向量运算的Andes Core 27系列,甚至是具备超纯量运算能力的Andes Core 45系列,皆为晶心提供迎接IoT时代的新一波成长动能。


林总经理指出,微软与ARM分别占据了高阶与行动处理器高达95%的市场,但在云端运算、大数据、区块链、自驾车或无线设备等新兴应用上,弹性与开放的RISC-V将更有机会渗透这些市场看好的领域。


晶心V5系列最主要的应用就是物联网,尤其多被用来开发具备AI功能的嵌入式晶片,他们有超过50%的客户投入该应用的设计工作。


为满足AIoT产品的开发需求,晶心已先後推出支援数位讯号处理(DSP)与向量运算的RISC-V延伸指令,分别为P Extension和V Extension。前者能协助开发人员处设计多个指令同步执行;後者则适合用来开发智慧感测、语音处理、电脑视觉和生物辨识等IoT与AI应用。


此外,晶心更推出了业界首款RISC-V向量处理器NX27-V系列,展现其着力於高性能处理器的开发。晶心表示,RISC-V产品开发目标正从低成本走向高性能,他们也将聚焦在即时处理系统(realtime)、向量运算与平行处理(SIMD)的处理器开发,相关延伸产品还能支援单精度或双精度的浮点运算。



图二 : 晶心科技AndesCore V5系列支援RISC-V,并提供向量运算与DSP延伸指令,该系列更於2019年首度超越前一代处理器系列V3的销售表现,客户反应令人振奋。(source:Andes Technology)
图二 : 晶心科技AndesCore V5系列支援RISC-V,并提供向量运算与DSP延伸指令,该系列更於2019年首度超越前一代处理器系列V3的销售表现,客户反应令人振奋。(source:Andes Technology)

针对采用RISC-V进行开发,林总经理剖析,RISC-V基金会开放给全球的是模组化指令集;这些模组不能随意修改,且不是所有模组都开放免费使用。此外,开发CPU等高阶产品也须遵守相关的开源软体授权条款(Berkeley Software Distribution License;BSD)。


然而,他也指出,在这些模组具备相容性的前提下,RISC-V能让开发商新增客制化指令,提供弹性来扩充功能与性能。因此,开发人员应多留意设计服务供应商提供的技术支援内容与收费标准,缺乏软体与技术支援可能导致免费的最贵。


林志明强调,就采用RISC-V的成本、效能与易用性而言,产品表现要看厂商能否在客制化指令上发挥设计功力。


看准这项开发要点,晶心已先推出了客制化RISC-V开发工具Andes Custom Extension(ACE),能够简化复杂的运算,让开发人员无需顾虑处理器的管线设计,并提供验证逻辑性能的功能,进而缩短开发时程并增进设计效率。


其中,ACE内含之COPILOT为EDA等级的设计工具,能协助开发人员快速整合自定义指令与晶心提供的CPU IP,还会自动验证指令集模拟器(ISS)与暂存器传输级(RTL)的逻辑相符性。


林志明表示,晶心提供完整且弹性的RISC-V设计工具与软硬体资源。在晶片设计越趋复杂的时代,采用RISC-V是利用减法来设计硬体,它能同时顾及指令集相容性,以及开发效率和设计弹性,这也是他认为RISC-V能够实现最隹化设计(optimal design)的原因。


智原助攻Edge AI晶片开发 推出RISC-V SoC开发平台

「RISC-V SoC平台提供弹性设计,并满足性能评估与软体开发需求,能够加速切入市场。」智原科技行销经理蔡林彬

在ASIC和IP领域深耕近三十载的智原科技,也加入了这波RISC-V晶片设计潮流。他们提供物联网系统单晶片(SoC)开发平台,特别着重於具备人工智慧功能的终端晶片(Edge AI)设计,以高度客制化满足SoC开发过程中对感测、电源管理或介面连结的整体性能需求。


智原的SoCreative!平台便是为此推出的完整解决方案,该平台最新发布的SoC验证平台FIE3240,支援基於ARM Cortex-M与RISC-V的SoC开发,使得开发人员能够提前进行硬体验证与软体开发,加速产品设计与效能评估。



图三 : 智原科技最新发布的SoC验证平台FIE3240支援RISC-V处理器开发,并具备完整的软硬体开发环境与设计流程(source:Faraday)
图三 : 智原科技最新发布的SoC验证平台FIE3240支援RISC-V处理器开发,并具备完整的软硬体开发环境与设计流程(source:Faraday)

此外,物联网应用牵涉多元的周边介面连接,针对相关软硬体相容性需求,FIE3240支援PCIe互连、多电压准位I/O(multiple voltage IO bank)以及其他扩充介面,例如USB3、Gigabit Ethernet、MIPI、GPHY和DDR功能。整合开发环境(IDE)则提供Keil MDK-ARM、IAR、Eclipse CDT和Green Hills MULTI开发工具;该平台还支援作业系统FreeRTOS和Keil RTX。


智原科技行销经理蔡林彬表示,AIoT产品对於上市时间尤其敏感,智原的RISC-V开发平台提供评估、验证与自行设计的多元功能,让开发人员在IC设计出来前能够提前进行验证。目前已成功协助客户在一年内开发出全球首颗具备AI功能的RISC-V SoC,采用该晶片的穿戴式终端产品已在市场销售。


他强调,客制化晶片的需求各不相同,采用指令集架构的考量就不同。举例来说,像是Western Digital、NVIDIA和高通等晶片大厂拥有足够研发人力与财力,就有能力自行开发ISA,但新创科技公司的开发资源相对有限,後续系统开发与维护工作繁琐且成本高,因此需要相关产业链提供专业支援。


以CPU架构而言,高阶应用如云端、伺服器和资料中心交由Intel把守,行动装置与嵌入式系统则有ARM,而未来科技朝向万物互联发展,新兴应用的市场需求正在催生全新的架构,引领下一波硬体设计革新。


RISC-V的开放性与弹性恰好推波助澜,显现了硬体设计的平等与自由。蔡林彬经理指出,采用RISC-V处理器进行开发时主要有三点考量:


一、产品竞争力与差异化


针对多核心CPU架构或特定资料流运算应用,例如AI或SSD,RISC-V具备的设计弹性就激发了更多的开发潜能,因此吸引了许多厂商投入。


二、IP取得与易用性


目前取得RISC-V的商业模式有三种:自行设计ISA与微架构、直接采用开源设计、寻求第三方RISC-V IP供应商。


三、开发资源与环境


系统公司或新创公司格外看重这点。在这方面,RISC-V设计服务供应商就能提供相对完整的服务,包括快速整合与验证CPU、产品量产、扩展产品应用广度、自有IP资源、客制化设计等。


蔡经理进一步指出,新创公司重视创新,诸如人工智慧或SSD等高速应用就需要客制化指令集,而客制化ISA的目的,就是性能最大化。在这方面,晶心或SiFive可满足RISC-V的客制化需求,他们也可与客户共同开发。


呼应上述三点考量,智原RISC-V SoC开发平台整合第三方ARM和RISC-V CPU,以及自行研发的IP,提供开发人员有力的设计资源与服务。目前,这些IP最主要用来设计具备人工智慧与边缘运算功能的处理晶片,像是穿戴式装置、感测器以及其他低功耗IoT产品。


此外,智原即将推出40奈米RISC-V SoC开发平台,将进一步缩短客户产品开发时间,加快产品上市。


SiFive洞见智慧边缘运算 开发RISC-V高阶嵌入式晶片

由RISC-V开发团队组成的美国矽智财新创公司SiFive,可说是RISC-V生态系最重要的成员之一。藉着该架构的开放性与弹性,他们相信RISC-V将成为发展特定应用开发(domain-specific)的理想架构,这项优势正好满足AIoT时代对多元应用的客制处理晶片需求。


SiFive秉持着加速创新与降低开发成本的信念,极力将开源架构与软体自动化设计的影响力全面扩展至处理器供应链,至今已推出超过150个处理器IP,以及3个RISC-V处理器系列:32位元嵌入式处理器E系列、64位元嵌入式处理器S系列,以及64位元应用程式处理器U系列。


其中,处理核心E7、S7与U7同属7 Series,锁定AR/VR、5G和资料储存的垂直产业应用,同时也是具备最高性能的RISC-V顺序执行处理器IP,该系列以共通的高性能与功能相容性,将助力实现多核心的高阶处理器开发。


关於未来IP开发走向,SiFive更透露,将推出64位元应用程式处理器U8系列,除了能以乱序执行,在单位面积效能方面也将提高1倍,功耗效率则提升至1.5倍。


结语

综合这些RISC-V重点开发商的技术走向,不难发现,结合AI功能的边缘运算处理器将成为RISC-V开发的主要应用,且该架构的资源与技术优势将有助於引领这块利基市场。


随着RISC-V叁与会员持续推广与开发商用产品,将催促更完善的软硬体资源部署。透过共享、共创的开发友善平台,RISC-V产业应用将强力扩展至云端、行动装置、HPC、机器学习、自驾车等。


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