X86、ARM垄断被打破,中国能否靠开源架构实现芯片逆袭|算力大爆炸

人工智能 生煎&JackWang 2019/09/20 11:13



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。


1

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。

2

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。


3

开源架构双雄并立,
国内企业的开源尝试


RISC-V的推动,以及MIPS、Power Architecture等架构先后走向开源,可以说从低端IoT,主流终端核心、通信领域,再到高性能计算领域,全方位对ARM架构进行包围。既巧妙避开英特尔(Intel)和ARM 巨头盘踞的PC 、手机领域,又依赖其性能很好的满足AI、物联网市场需求。

RISC-V:

芯片开源正在成为业界努力的方向,最具代表性的是开源架构RlSC-V。在一些新兴的边缘领域,比如物联网(IoT)、人工智能(AI)、边缘计算(Edge Computing)领域,RISC-V依据高能效低成本解决方案将在未来具有很大的爆发空间,国内外企业纷纷基于开源指令集架构RISC-V寻求芯片设计的突破。ARM的忠实用户华为、高通、Google等,为分散风险,寻求更大的创新,也纷纷加入了开源架构RlSC-V的阵营。

然而作为芯片架构界的“新人”,不同于MIPS已经落地多年并形成一定生态和产品,RISC-V从零开始建立体系,在国内亟需标杆级的企业来扛起这面大旗,这次,首先站出来的是阿里巴巴。

2018年的杭州云栖大会上,阿里巴巴旗下的平头哥半导体正式诞生,得益于RICS-V开源的优势,时隔不到一年,2019年7月25日首款基于RISC-V架构的芯片玄铁910便问世了。

作为平头哥的首个产品,玄铁910将大大降低高性能端上芯片的设计制造成本,未来将应用在5G、人工智能、网络通信、自动驾驶等领域中。

当然,即便是开源架构,要实际落地一款芯片,依靠一家互联网公司去撑起产业略显力不从心,因此,平头哥半导体是由国产芯片企业中天微与阿里旗下达摩院芯片团队整合而成,阿里全资控股。

这种强强联合的模式并非业界新模式,国内通用MCU的龙头,兆易创新(603986.SH)也于8月22日携手芯来科技(Nuclei)发布了全球首个基于RISC-V开源架构内核的32位通用MCU产品---GD32VF103系列,并提供了从芯片到程序代码库、开发套件、设计方案等完整工具链支持并持续打造RISC-V开发生态。

和平头哥一样,兆易创新想做的不仅仅是基于开源框架去打造芯片,而是希望能引领生态。



资料来源:西南证券


根据计划,未来平头哥也将全面开放玄铁910 IP Core,全球开发者可以免费下载该处理器的FPGA代码,快速开展芯片原型设计和架构创新。并推出面向领域定制优化的芯片平台(Domain specific SoC),提供包括CPU IP、SoC平台以及算法在内的软硬件资源,面向不同AIoT场景为企业和开发者提供不同层次的芯片服务。


可见,国内芯片企业的目标不仅是做出产品,还希望在生态建立初期能够快速扩大影响力。



资料来源:阿里巴巴

随着近 2 年 RISC-V 生态快速崛起,对 ARM 在物联网市占扩张造成不小威胁,RISC-V架构开放、灵活、低功耗的特点,也吸引了包括乐鑫科技、华米科技、北京君正、联发科等上市公司纷纷布局研发基于RISC-V架构的芯片,未来这一生态还将继续扩大。


数据来源:芯潮,算力智库整理

MIPS:

除了ARM、RISC-V之外,低功耗处理器另一重量级对手MIPS,在2018年12月宣布开源之后,就成为RISC-V在AI时代强有力的竞争者。

相比RISC-V是芯片架构的新生力量,MIPS则已经发展了近30个年头,其在传统物联网市场包括机顶盒、录音笔、智能手表获得了不错的应用,基于MIPS架构的芯片也已有85亿颗的芯片在数千种商业解决方案中交付使用。


资料来源:公开资料 
出于芯片技术体系的自主可控,防止技术垄断,我国早在2001年已经开始布局。 在当时的几大芯片架构MIPS、ARM、X86架构中,中科院选择了耗能低性能良好的MIPS架构寻求突破,主导开发的几代芯片均是基于MIPS架构,目前国内MIPS阵营的北京君正、神州龙芯的核心团队也均来自中科院体系。

作为MIPS阵营里面的中坚力量,北京君正创造性地推出了其独特的MIPS32兼容的微处理器技术XBurst,能够在极低的功耗下高速发射指令,其主频、多媒体性能、面积和功耗均领先于工业界现有的32位RISC微处理器内核。

北京君正长期的芯片设计经验的积累,其开发出来的芯片在耗能低性能具有相当不错的市场竞争力,同一结点水平下,君正的嵌入式CPU技术在功耗上只有ARM同类产品的1/3-1/2,其芯片产品在智能硬件领域获得广泛应用。

但是,由于嵌入式CPU芯片必须结合操作系统平台的支持,才能应用到各种领域,而安卓的操作系统已经是ARM的天下。 相对于手机芯片厂商美国高通、华为海思、紫光展锐的ARM芯片架构,拥有MIPS架构芯片的北京君正存在着芯片和软件的不兼容问题,因此其产品在智能手机与平板电脑上均无作为,目前芯片的应用主要集中于低端便携消费电子产品。

相比北京君正,神州龙芯研发的基于MIPS的嵌入式处理器核主攻高性能市场,客户集中于军工领域,目前产品主要包括龙芯2号单核处理器系列以及龙芯3号多核处理器系列,应用于桌面办公、服务器、工业控制、网络安全以及物联网等。


资料来源:算力智库整理

4

中国的机会? 
打破巨头垄断路在何方

随着全球芯片产业的整合,目前在芯片市场中的主流无非是基于ARM架构和x86架构,德州仪器、爱立信、英伟达等竞争者的相继退出,预示着未来芯片产业的胜者将更多依赖企业自身庞大的资金实力和持续不断的投入。

芯片架构的成功,除了技术方面,生态问题始终是制约一个架构发展的最大瓶颈。新研发出来的芯片产品如果没机会到市场去试错,没有进入市场的良性循环,不管是软件还是硬件,都很难达到用户满意的水平。一个芯片的成功,一定是它应用生态的成功。华为海思的麒麟芯片能够获得不错的发展,一方面是因为华为在人才和资金等资源上的巨额投入,另一方面也得益于华为手机的广阔市场。市场的反映以及用户的反馈都是麒麟处理器迭代完善的方向和动力。

要实现国产芯片自主可控发展,打破国外巨头垄断格局,不仅要迅速行动抓住时机,还应以市场为导向,找准适合的市场定位。以人工智能技术为引领的新一代信息技术包括AIoT、5G、云计算、边缘计算、大数据、AR/VR等新技术的涌现,或会是芯片格局的重要机会。

一方面,新老芯片架构处于同一起跑线,此前老架构积累的生态优势不复存在,另一方面,与PC 时代、移动互联网时代不同,AIoT 时代的芯片应用场景更加丰富多元,企业需要能快速实现可商用的芯片,RISC-V 、MIPS等架构具备开放、灵活、低功耗等优点,被认为是 AIoT 场景最核心的芯片架构之一。

PC时代成就了英特尔x86,移动时代成就了ARM,人工智能时代,以RISC-V为代表的开源芯片架构或许是国产芯片弯道超车,实现国产芯片自主可控的机会。