2022年,手機架構能逃離Arm魔爪嗎?

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20 果殼硬科技 ? 2022-04-11 14:30:56  來源:果殼硬科技 E5005G0

作者|付斌 來源|果殼硬科技(ID:guokr233)

如果回顧過去幾個月的新聞,會讓人有種“2022年手機行業要變天”的感覺。

2021年11月,RISC-V開發板制造商Sipeed展示了運行Android 10操作系統的原型機RV64,并向媒體表示64位的RISC-V手機將于2022年到來;而隨著RISC-V芯片設計公司SiFive2022年3月獲得1.75億美元新融資,則讓人對使用非Arm手機又多了幾分念想。

那么,2022年會是“RISC-V手機的元年”嗎?新手機值得期待嗎?

事情要先從RISC-V講起。

如今,世界正被Arm和x86兩大指令集統治:筆記本電腦、臺式機和服務器則基本均為x86架構;我們口袋中大多數智能手機,基本都是Arm架構芯片。自2005年以來,每年超過一億的手機銷售中,近乎98%使用了Arm處理器芯片。

而RISC-V(發音為“risk-five”)是繼二者之后,又一個有望成長為參天大樹的新秀。

隨著各種RISC-V芯片組開始接近穩定支持Linux,一些人開始想把它放進手機。那么RISC-V能撼動Arm的地位嗎?

1

火熱的RISC-V正走向手機

x86、Arm、RISC-V都是指令集(又稱ISA、架構),指令集是對軟硬件的一套標準規范,不具備實體,利用這套規范可以設計對應的處理器芯片和軟件系統。打個比方來說,軟件是螺母,硬件是螺釘,指令集就是螺母螺釘的尺寸規范。

指令集的作用,圖源丨 北京開源芯片源碼創新中心

指令集分為精簡指令集計算(RISC)和復雜指令集計算(CISC),x86、Arm、RISC-V分屬于不同種類指令集,不同指令集間均互為競爭對手。

兩類指令集的特點,制表丨果殼硬科技

參考資料丨公開資料

RISC-V是后起之秀,制表丨果殼硬科技

參考資料丨公開資料

RISC-V作為后生日漸被重視,其簡單、開源、易移植、模塊化、經濟性、穩定性的特性廣受業界青睞。讓RISC-V脫穎而出的是其開源性,任何公司或個人均可以根據其架構進行處理器設計,這樣不僅降低了設計門檻,設計資源也可以重復利用,大大減少軟件成本。

RISC-V是由加州大學伯克利分校在2010年首次發布,2015年非盈利性組織RISC-V基金會(RISC-V Foundation)成立,2019年11月RISC-V基金會因擔憂美國愈加嚴厲的貿易限制考慮播遷瑞士,2020年3月正式遷往永久中立國瑞士,以圖擺脫復雜的國際形勢,保證永久開源。

目前RISC-V已經成為產業鏈不可或缺的一環,成功的標志是已有最新工藝SoC量產、有里程碑式的軟件支持、支持殺手級應用和核心市場25%的份額。

國內一直較為重視RISC-V競爭,RISC-V理事會中80%的最高級別會員都為中國企業,超過70%的RISC-V主要成員來自中國,多家國產企業已推出RISC-V芯片IP,一些企業也將RISC-V放進自家MCU(單片機)或形成副產線,這是極其罕見的光景。

RISC-V芯片IP典型公司,制表丨果殼硬科技

參考資料丨公開資料

賽道火熱,甚至連x86的主導者英特爾今年2月也選擇加入RISC-V基金會并不斷布局。并且,RISC-V也一度成為印度、越南、以色列等國家數字芯片自主可控的希望。SemicoResearch數據顯示,預計至2027年包含RISC-V技術的芯片數量將以每年73.6%的速度增長,屆時收入將高達2910億美元。

RISC-V產品涉及AI SoC、MCU、應用處理器,應用方向以物聯網(IoT)為主。隨著RISC-V玩家擴大,行業正想著怎么把它做進手機,與Arm一拼高下。

RISC-V在行業中的歷史,圖源丨RISC-V官方網站

2

對RISC-V手機的期待需冷靜

為什么市場那么渴望用RISC-V取代Arm在手機的地位?

這是因為x86在手機上敗退,其它一些指令集包括MIPS在手機領域也幾乎毫無收入,支配著市場的Arm又需要授權和支付許可費。Arm好用,但授權費太貴,這讓業界又愛又恨,谷歌、高通、三星等80多家科技公司甚至開始合作開發RISC-V開源芯片設計。

專家也指出,RISC-V真正的價值在于它提供了與Arm競爭的可能,同時Arm架構是不能隨意修改的,自我優化修改的RISC-V可讓芯片更具競爭力。

雖然RISC-V手機被業界看好,但背后諸多問題,也會讓它前進異常困難,甚至在近期內想一舉取代Arm基本無望。

軟硬件基底不好打

雖然在RISC-V平臺已經能夠流暢運行Android 10,但要滿足用戶的日常、游戲和各種交互,需要讓硬件和軟件更好地配合。

軟件方面,架構層級的優化并沒那么容易,這需要在指令層實現本地方法庫、音頻庫、加解密庫等性能優化,除此之外還需要提供安卓多樣開發語言的要求。另外,Android軟件開發中Java是至關重要一環,但OpenJDK的upstream中,并不支持RISC-V。

硬件方面,需高性能處理器支持,而目前RISC-V CPU IP性能大多處于對標Arm的Cortex M系列、Cortex R系列及入門級的Cortex A系列產品的范圍內,目前市場上最快的可授權RISC-V處理器 IP 核性能也在追趕Arm的Cortex-A77,這已是Arm的上一代產品。從芯片PPA角度來看RISC-V也沒有明顯的優勢。

繞不過去的生態問題

就算把軟硬件都適配好,一款手機想要正常使用,需要擁有各種實時更新的軟件。CPU在執行任務時,需要將代碼按照定義個規則運行程序,但RISC-V定義的規則和Arm完全不同,發展到現在諸多APP都是基于Arm編寫的。

這種情況下,一種方法是重新開發App,但如果沒能向業界證明RISC-V的硬實力,沒有應用開發商會花費人力財力做這事;另一種方法是進行二進制翻譯(即把一種處理器上的二進制程序翻譯到另外一種處理器上執行,實現多平臺處理器都能使用),例如蘋果的Rosetta2、Godson二進制翻譯系統、Android的exagear,但需要投入成本很高。

成也開源,敗也開源

當開源被視為RISC-V最大優勢時,背后的隱患也不得不引起重視。雷峰網指出,想要高性能的RISC-V 處理器,必須依靠大公司來推動,問題在于,既然無法獨享 RISC-V,又會有誰愿意不計成本地為RISC-V產業貢獻力量。

一些業界人士向果殼硬科技團隊透露,RISC-V現階段規?;唵螛O少,很多公司都在觀望RISC-V的機會,但現階段除非特定客戶有特定定制化需求,不會主動進入這一領域。

另外,開源環境總是存在著碎片化的風險,而這種情況很像十年前的Arm,RISC-V基金會也意識到這種問題,開始采取行動避免像MIPS和Android一樣碎片化。

更為值得注意的問題是,開源了,也沒完全開源。此話怎講?RISC-V指令集本身的確是能被任何學術機構和商業組織使用的,但業界進入該領域后,會誕生大量加入自家特色的IP(知識產權核)、SoC設計、工具鏈、基礎軟件和應用研發,比如SiFive就是一家提供RISC-V指令集架構處理器核心IP供應商,想要使用其IP仍需支付授權費。

RISC-V也存在需要授權的階段,圖源丨北京開源芯片源碼創新中心

設計缺陷會逐漸顯露

任何與軟硬件相關的東西都是要經過冗長迭代過程的,在嘗試新領域后,逐漸暴露的缺陷也是一個耗時的問題。

此前,普林斯頓大學研究者在RISC-V的開源處理器核中發現多處嚴重的缺陷,如果不加以不修正,運行在 RISC-V上的軟件可能會遇到問題。當時,RISC-V基金會表示多數RISC-V版本不受錯誤影響,但高性能系統會受到很大影響。另外,RISC-V也曾出現一些諸如尋址模式錯誤等初級的錯誤。

不得不面對的產能問題

現如今,芯片缺乏漲價成了常態,而RISC-V手機芯片也繞不開制造難題。芯片廠商需要將設計好的產品交由代工廠進行生產,手機芯片一般又都是最為先進的制程,最差也已很少見14nm以下了。

而手機市場競爭嚴重,搶產能早已是常態。今年初便有消息稱臺積電晶圓代工產能緊張,蘋果漲價包下臺積電12萬~15萬片的4nm產能。

沒有優異的性能表現,何談市場?但本就芯片缺乏的情況下,又該如何搶占產能?

3

革命尚未成功,行業仍需努力

雖然RISC-V進入手機似乎太早了,但頂級芯片設計師Jim Keller也曾提倡不要爭論指令集,因為近乎80%的核心執行是由加載(load)、存儲(store)、加(add)、減(subtract)、比較(compare)和分支(branch)6條指令涵蓋組成。

眼看蘋果也開始入局RISC-V,為了擺脫Arm的支配,業界都在努力嘗試。冷眼看如今發展行徑,十多歲的RISC-V已來到平臺期,這一指令集仍然缺乏一些標志性事件來展現其能力上限。

那么國產RISC-V手機還差幾公里?縱觀目前使用RISC-V的產品還是以物聯網為主,市場對RISC-V的接受程度仍然較低,且沒有突破性的商業化案例,大多數只是Arm的替代品,雖然有阿里巴巴這種成功移植的案例,但在生態鏈不成熟情況下僅可能先出貨低端手機,而殺價占領市場,并非長久之計。

對RISC-V手機的期待是值得的,但也不能給它太大壓力,它要走的路還很長。但業界對RISC-V是積極的,待它被業界更加認可,手機也便會瓜熟蒂落。

References:

[1] Tux Phones:The world's first RISC-V phone might be just around the corner.2021.11.24.https://tuxphones.com/sipeed-rv64-first-risc-v-rv64-phone-linux-2022-2023/

[2] Protocol:SiFive raises $175 million in bid to unseat Arm with RISC-V.2022.3.16.https://www.protocol.com/enterprise/sifive-raises-175-million-riscv

[3] IEEE Spectrum:RISC-V Star Rises Among Chip Developers Worldwide.2021.4.7.https://spectrum.ieee.org/riscv-rises-among-chip-developers-worldwide

[4] CNET:ARMed for the living room.2006.4.3.https://www.cnet.com/tech/tech-industry/armed-for-the-living-room/

[5] AI電堂:Arm 與RISC-V.2021.7.27.https://mp.weixin.qq.com/s/NEGDJU-Z0l0NOTl31cIDsA

[6] 北京開源芯片源碼創新中心:關于RISC-V和開源處理器的一些解讀.2020.3.10.https://mp.weixin.qq.com/s/QUvugqHn4A7PRFK8Q2DrQA

[7] 陳彥秦,陳麒安,趙振華.基于RISC-V微控制器與FreeRTOS紅外耳溫量測系統[J].中國集成電路,2020,29(Z3):55-62.

[8] 葉錫聰,莊燦鋒,王宇木.RISC-V向量指令集的Compute Library函數庫移植[J].單片機與嵌入式系統應用,2021,21(1):8-13

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[11] RISC-V:History of RISC-V.2021.https://riscv.org/about/history

[12] 半導體投資聯盟:RISC-V不愿只做配角.2022.2.27.https://mp.weixin.qq.com/s/88_Fe28R_vKiC5vKlfarSg

[13] 歪睿老哥:RISC-V理事會,80%的最高級別會員被中國企業申請了?.2021.6.7.https://mp.weixin.qq.com/s/OM3nQj91PgbUhXyVW2IgEQ

[14] 芯師爺:RISC-V架構國產芯片再迎超強玩家.2021.12.17.https://mp.weixin.qq.com/s/32xNfMoQAcmarO2k0g9U1g

[15] RISC-V:Intel Corporation Makes Deep Investment in RISC-V Community to Accelerate Innovation in Open Computing.2022.2.7.https://riscv.org/blog/2022/02/intel-corporation-makes-deep-investment-in-risc-v-community-to-accelerate-innovation-in-open-computing/

[16] 電子發燒友網:亞洲視野下的RISC-V.2022.3.28.https://mp.weixin.qq.com/s/4o-uXRgBym8vcvm2PAlP8w

[17] SemicoResearch:Analyzing the RISC-V CPU Market for SIP, SoCs, AI and Design Starts.2022.2.https://semico.com/content/analyzing-risc-v-cpu-market-sip-socs-ai-and-design-starts

[18] 愛范兒:x86 手機之死.2016.5.19.https://www.ifanr.com/652639

[19] 半導體行業觀察:RISC-V走進手機?.2021.3.4.https://mp.weixin.qq.com/s/aa8MNZ6HsK9cikzqjn7kpA

[20] 陳徐毅.ARM收購案的終止與RISC-V的機遇[J].中關村,2022,(03):60-61.

[21] 新智元:圖靈獎得主牽頭推動芯片開源,清華伯克利成立RISC-V國際實驗室.2019.6.15.https://mp.weixin.qq.com/s/7K2cuPSYzm68vJKpHYpnkA

[22] Semiengineering:Why RISC-V Is Succeeding.2022.2.24.https://semiengineering.com/why-risc-v-is-succeeding/

[23] 譚倫.中國押注RISC-V:能否打破X86與ARM壟斷格局?[N].中國經營報,2021-07-05(C01))

[24] 芯基建:直戳Arm長處!首個RISC-V版安卓10系統順暢運行.2021.1.22.https://mp.weixin.qq.com/s/rFyRJBqiLCtrfwpjSqT8tA

[25] 電子發燒友:安卓上RISC-V,移植成最大阻礙.2021.10.14.https://mp.weixin.qq.com/s/vKZaROrrlXhjI_fBDb4G0A

[26] 姬曉婷.RISC-V的進擊與糾結[N].中國電子報,2022-01-18(001)

[27] 芯基建:2021年RISC-V會有什么大變化?.2021.1.28.https://mp.weixin.qq.com/s/s04Jbveji2-23V_0cjghtg

[28] iNews:Will mobile phones equipped with RISC-V chips come out next year?Software ecology or the biggest weakness.https://inf.news/en/tech/a0f170f307f9c699edce5fd7b49576c1.html

[29] 雷峰網:9大芯片巨頭的RISC-V陰謀:大哥卡對手脖子,二哥要另立門戶.2022.1.27.https://mp.weixin.qq.com/s/9j6mtH7RBevJiyB9wrQeCA

[30] 中國電子報:復合增長率將達146%,RISC-V未來可期?.2019.12.17.https://mp.weixin.qq.com/s/D7QF5ZT5RvQygpsZC9zaKA

[31] EETimes China:從產業與教育生態,談RISC-V的發展現狀與未來.2021.6.29.https://www.eet-china.com/news/202106290916.html

[32] The Register:RISC-V takes steps to minimize fragmentation.2022.4.1.https://www.theregister.com/2022/04/01/riscv_fragmentation/

[33] 芯智訊:開源架構RISC-V到底會不會有“被禁”風險?.2019.6.1.https://mp.weixin.qq.com/s/AnA6sInXHIAJ63nkoC93Jw

[34] Mark Patrick,禾沐.RISC-V為什么會成為熱點?[J].單片機與嵌入式系統應用,2020,20(11):15-16+20.

[35] The Sparks Space:RISC-V isn’t as interesting as you think.2021.2.1.https://sporks.space/2021/02/01/risc-v-isnt-as-interesting-as-you-think/

[36] 芯東西:蘋果A16芯片安排上了!包圓臺積電4nm產能,下半年量產.2022.1.17.https://mp.weixin.qq.com/s/zke8CbzCgRYnWghAmuDWqA

[37] AnandTech:An AnandTech Interview with Jim Keller: 'The Laziest Person at Tesla'.2021.7.17.https://www.anandtech.com/show/16762/an-anandtech-interview-with-jim-keller-laziest-person-at-tesla

[38] Tom's Hardware:Apple Exploring RISC-V, Hiring RISC-V 'High Performance' Programmers.2021.9.3.https://www.tomshardware.com/news/apple-looking-for-risc-v-programmers

[39] 李佳師.RISC-V:有望改變未來芯片格局[N].中國電子報,2021-07-27(001)

[40] 36氪Pro:36氪年度行業研究 | 完全開源、無專利掣肘,「RISC-V」會是芯片自主的關鍵解嗎?.2021.1.5.https://mp.weixin.qq.com/s/KtObnfSTABGC8Db3W9TWTQ

編者按:本文轉載自微信公眾號:果殼硬科技(ID:guokr233),作者:付斌 ,策劃:果殼硬科技

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