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    解析阿里玄铁RISC-V系列处理器的硬件开源策略

      [  中关村在线 原创  ]   作者:徐鹏

          在2021云栖大会上,阿里平头哥开源了玄铁RISC-V系列处理器,并开放系列工具及系统软件。即日起,全球开发者可下载玄铁源代码,平头哥也将持续开源稳定的、全栈一体的RISC-V IP核,并提供技术支持和应用服务。对于开发者来说,软件开源早已不是什么新鲜事,而此次玄铁RISC-V是硬件开源,过程曲折但贡献着实不小。

    解析阿里玄铁RISC-V系列处理器的硬件开源策略
    解析阿里玄铁RISC-V系列处理器的硬件开源策略(图片来自antmicro)

          对于开发者来说,直接使用开源软件,成本比较低,有吸引力。但硬件开发流程复杂、时间漫长,试错代价昂贵,对硬件开源提出了更高的要求。平头哥支持开源开放,对于正在上升期的RISC-V架构技术而言,只有更多的开发者和企业使用,才能共同推进生态进步,让这一技术在芯片和操作系统等软硬件层面更加成熟,让生态圈的每个伙伴从中受益。

          众所周知,要在芯片上执行软件程序,必须先将软件/程序语言翻译成硬件指令,这套标准规范即芯片架构/指令集(ISA,Instruction Set Architecture),X86、Arm、RISC-V都是指令集的代号。不过,指令集通常与背后的软件生态相关联,采用哪种指令集,需要其专利授权,IP授权费用动辄上百万、千万美元。

          诞生于2010年的RISC-V,是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA),其由一家非营利基金会所有,所有企业都可以加入基金会,免费使用RISC-V架构,并在其基础上进行改动,被广泛看好成为下一代广泛应用的CPU架构。RISC-V架构具有开放、灵活、低功耗等特点,基础指令不到50条,并以模块化的方式提供了不少扩展指令集。

          RISC-V 基金会首席执行官Calista Redmond曾透露,截至2020年底,在全球范围内RISC-V芯片(SoC、IP和FPGA)已推出93款,覆盖了云端、移动、高性能运算、机器学习、自动驾驶等产业。据《财新》报道,RISC-V已经吸引了谷歌、阿里巴巴、三星、华为、英伟达、西部数据等全球500多家企业参与研发。

          Semico Research预测,到2025年全球市场的RISC-V核心数将达到624亿,其中工业应用增幅最大,将占据167亿颗。在实际应用中,RISC-V适合为智慧城市、工业互联网、智能家居等碎片化的AIoT场景提供定制芯片。这种需求上的满足与当前AIoT的大势所趋不无关系,要知道在应用侧,玄铁910已经实现了兼容安卓,证明RISC-V朝高性能方向发展的可能。对于阿里“云端一体”的战略而言,平头哥在RISC-V上的探索势必会延伸到更多的场景。

          据了解,此次开源的OpenXuantie系列RISC-V处理器,包括玄铁E902、E906、C906、C910等4款量产处理器IP,以及基于OpenXuantie的多操作系统(AliOS、FreeRTOS、RT-Thread、Linux、Android等)的全栈软件及工具。开发者可通过平头哥Github和芯片开放社区(Open Chip Community)下载OpenXuantie源代码,并基于此实现开源EDA协同、硬件架构创新、丰富软件应用生态。

          玄铁RISC-V系列处理器采用自研技术,覆盖从低功耗到高性能的各类场景,支持AliOS、FreeRTOS、RT-Thread、Linux、Android等操作系统,并已成功应用于微控制器、工业控制、智能家电、智能电网、图像处理、人工智能、多媒体和汽车电子等领域。目前,玄铁系列处理器出货超25亿颗,拥有150余家客户、超500个授权数,已成为国内应用规模最大的国产CPU。

          正如前文所述,硬件开源绝非一日之功。经过十多年的CPU和芯片研发,平头哥在自研指令架构、CPU微体系结构和系统芯片方面积累了不少经验,形成了从低功耗、低成本到中高性能等RISC-V处理器产品家族,应用于MCU、蓝牙、无线、语音、视觉等应用场景。如今,玄铁系列成为国内RISC-V领域影响力和市场占有率最大的处理器产品,以每年50%的授权数增长。

          根据阿里的表述,玄铁910在指令方面相比原始的RISC-V稳定可靠,同时有平均20%以上性能的提升。在处理器的设计技术上,玄铁910在原有高性能处理器2发射的基础上,发展成3发射并行架构,流水线深度从10级发展成12级,单位性能提升40%以上,达到7.1 Coremark/MHz,工作主频达到2.5GHz,整体指标在原有技术上提升一个层次。

          显然,这种硬指标上的进步对于RISC-V的普及有着重要作用。要知道,超过70%的RISC-V 主要成员来自中国,这在一定程度上要受益于半导体国产化的趋势。2018年7月,上海首度宣布将RISC-V列入政府产业扶持对象,成为国内第一个发力RISC-V的城市。同年10月和11月,中国 RISC-V产业联盟与中国开放指令生态(RISC-V)联盟相继成立,前者如今成员单位已达130家,后者则由中国工程院院士倪光南领衔,吸引了包括阿里巴巴、中芯国际、紫光展锐、北大清华在内的产学研代表成员。

          可以说,RISC-V生态建设是中国半导体上下游产业链生态建设的好机会。在传统芯片的设计领域,国外的封锁在短期内难以突破,而在RISC-V所面向的物联网场景,对芯片制程要求还不太高,这也为近几年国内新成立的一批国内EDA公司带来了新的市场机会。

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