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Inter、ARM垄断被打破,中国能否靠开源架构实现芯片逆袭

2019-09-20 10:11
算力智库
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算力大爆炸

大爆炸是宇宙产生的起源,而下一次产业革命的大爆炸,必将由科技来推动。中国能否引领接下来的产业革命,科技力量的发展是关键。算力智库以国内最具代表性的公司企业为例,剖析产业的发展路线和趋势,推出算力大爆炸栏目。

从Ai到智能制造,科技发展的最上层,无不受芯片产业发展的影响,芯片也成为接下来全球科技产业竞争的重要抓手。而芯片最上层是芯片架构。此前,掌握在Inter、AMD、ARM几大巨头下的架构格局正在被开源架构所打破,算力大爆炸首期以芯片架构为主题,剖析开源架构出现后,中国的芯片机遇。

搭载了麒麟990芯片的华为Mate30今天正式发布,其性能足以媲美选择高通和苹果最新芯片的旗舰机。尤其是集成了5G基带,这款芯片可谓目前国产芯片的最高水准。

然而美中不足的是,国产芯片的外表下,麒麟990仍然有着“外国血统”。麒麟990的芯片架构一直被国外公司ARM所掌控,而“中兴事件”和“ARM断供”的发生,正在让这一制约着我国芯片发展的隐患,逐渐演变成“显疾”。

当然,国际上并非没有第三方芯片架构,尤其是开源架构RISC-V的出现,让不甘心被钳制的我们看到了另一个方向。

全球芯片格局,两大架构垄断下的生态

在芯片产业中,中国所擅长的是芯片产业下游的封装测试阶段,技术含量较低。而最上游的芯片IP架构、EDA设计工具、光刻机等软硬件设备的核心技术都由国外提供。直到“中兴事件”的爆发让“中国缺芯”这个问题进入大众视野。

就在数月前,华为被美国列入出口管制“实体清单”,其中ARM公司也断绝了与华为的芯片授权业务。

虽然华为此前已经购买了ARM V8指令集的终身授权,停止授权并不意味着华为不能使用ARM的架构,但ARM的停止授权意味着华为将无法使用ARM后续推出的新架构服务。

芯片一直存在两大主流架构:X86架构以及ARM架构,其中,X86架构由于其体积大,功耗高,性能强的特点,主要用于PC及服务器芯片。ARM体积小、能耗低但性能不如X86架构,因此在PC时代一直处于弱势。然而智能手机的需求完全贴合了ARM架构的特点,因此ARM成为手机芯片主流,在目前手机芯片市场中占据了90%以上的份额。

如果要彻底解决芯片在架构层面受到钳制的局面,就需要寻找一个替代方案,市场上,的确也诞生了一些开源芯片架构。

打破垄断的尝试,开源芯片竞争力几何?

2010年,伯克利大学,计算机科学教授David Patterson及其团队开始了RISC-V指令集架构的设计。原因是他们发现包括ARM、MIPS、SPARC、X86等多个指令集不仅设计越来越复杂,而且还存在知识产权问题。

团队用了3个月时间完成了RISC-V指令集的初始设计开发,之后于2011年5月第一次公开标准。2014年,RISC-V的第一批标准定型。其间,随着标准的发布和改进,进行了多次流片验证。

RISC-V指令集完全开源、设计简单、易于移植Linix系统,采用模块化设计,拥有完整工具链。RISC-V虽然不是第一个开源的的指令集(ISA),但它是第一个被设计成可以根据具体场景选择适合指令集的架构。基于RISC-V指令集架构可以设计服务器CPU,家用电器CPU,工控CPU和传感器CPU,尤其在Ai芯片领域可以发挥很大作用。

RISC-V的出现迅速吸引了世界的注意,RISC-V可以让用户有机会避免Intel x86知识产权体系的锁定和ARM高昂的芯片特许使用费。最重要的是,开源架构的出现可以让企业免受政治因素的影响而受制于人。

开源芯片RISC-V的优势还体现在以下五个方面:

1. 极简。RISC-V凭借技术上的后发优势,拥有精简的篇幅长度,比起冗长、指令繁多、互不兼容的传统商业架构,优势十分明显,RISC-V的架构手册只有上百页,相比起ARM两千多页的手册,开发人员能快速投入开发。

2. 干净。RISC-V清晰区分了用户和特权指令子集,避免了对特殊微架构和特殊工艺的要求,因此具有普适性,可显著降低成本。

3. 模块化。RISC-V的指令分为核心基础指令集和标准可扩展指令子集。基础指令集很小,但是可以根据用户需求去加载扩展集,后者确保了指令能够应用于不同场景。

4. 可扩展。充分考虑了芯片设计的可扩展性和专用性需求,具有变长指令编码,并预留了大量的可用编码空间,使得未来指令扩展方便可行。

5. 稳定。经过若干年的迭代,基准指令和一些标准可扩展指令已经确定,新功能的实现只需增加扩展子集,而无需发布整个指令集的新版本。由于RISC-V使用BSD License开源协议,指令集彻底开放,给予使用者很大自由,允许使用者修改和重新发布开源代码,也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。

RISC-V具有很强的后发优势,能从开发时间和授权费用等层面大大降低芯片设计门槛,3-5人的小团队在3-4个月内,只需几万元便能研制出一款有市场竞争力的芯片,从而促进芯片产业的繁荣,能更好地支持人工智能等新一代信息技术和数字经济的发展。

上述的RISC-V优势主要在于其开源架构的身份,如果和同为开源芯片的架构对比,其优势就没那么明显了。

2018年12月,Wave Computing公司宣布将MIPS指令集置于开源。MIPS是为数不多能在ARM的覆盖下可以拿到部分市场份额的芯片架构。而MIPS的开源也让RISC-V面临了很大的挑战。

芯片架构的竞争力不仅体现在开发成本上,更多是体现在生态体系的建立。X86架构随着windows系统的普及独占鳌头,ARM也是趁着安卓系统的东风奠定行业地位。因此,开源芯片最重要的便是发展自己的生态,而已经商用多年,并积累了一定的下游生态,开发工具更成熟的MIPS的开源,也让RISC-V感受到了竞争压力。

MIPS授权业务总裁的阿特斯威夫特曾表示,如果这发生在两三年前,那么RISC-V永远不会诞生。

另一方面,虽然MIPS和RISC-V都是开源芯片,但是开源并不代表免费,只是费用相对较低而已。

对X86和ARM来说,开源架构在商业生态和使用及开发习惯上仍然不具竞争力,更需要警惕的是“国外一开源,我们就自主”这种声音的出现,CPU架构从上世纪90年代的10多家到现在以X86和Arm为主,背后其实是更深刻商业规律在主导。

有业内人士指出,芯片架构尤其是更多开源架构的出现,可能会重新走到了上世纪90年代有多家指令集架构竞争的局面,对芯片开发公司来说并没有节省什么成本,反而因为各自微架构的特殊性带来操作系统和应用程序的不兼容。

但是对中国来说,开源架构的出现确实让我们看到国产芯片不受垄断的可能,而在生态建设上,中国也具备很强的规模优势。

目前,针对RISC-V和MIPS架构,我们已经形成了一定生态规模,以龙芯、阿里、北京君正等为代表的企业正在做出自己的尝试。

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