深度:AI芯片新风口!阿里华为已入局,将撼动ARM地位

导语:“AI芯片”这个新鲜的概念在过去一年间逐渐走过了普及的阶段,越来越被大众所熟知。在行业走过野蛮生长,开始加速落地、加速整合的过程中,也有更多的AI芯片公司也开始走出属于自己的差异化路线。

智东西在此前AI芯片系列报道第一季之后,再次出发,进一步对AI芯片全产业链上下近百间核心企业进行差异化的深度追踪报道。此为智东西AI芯片产业系列报道第二季之一。

在人工智能(AI)时代,此前物联网(IoT)领域的AI芯片往往身陷困局,传统CPU算力不足,AI协处理器的面积和功耗又偏大。为了打造一款高效率低功耗的AI芯片,创企们纷纷用起存储优先、存算一体等各种招式,还有一类招式是用RISC-V经开源设计打造的AI芯片,因其低功耗的优势迅速在IoT行业崭露头角。

近两年来,在ARM和Intel主导的竞争格局中,一个新的开源指令集架构RISC-V在芯片江湖声名鹊起。

面对来势汹汹的AI和IoT浪潮,RISC-V提供了一种高能效低成本解决方案,吸引了谷歌、高通、IBM、镁光、西部数据、三星、英伟达、惠普、甲骨文、华为、比特大陆、加州大学伯克利分校、麻省理工学院、普林斯顿大学、新加坡南洋理工大学以及中科院计算所等国内外200家左右的企业和科研机构加盟。

阿里平头哥用其主攻IoT安全功能,华米用其造出全球首款支持AI的可穿戴设备芯片组,邻国印度将其确立为国家指令集……和其他传统架构相比,RISC-V具有低功耗、低成本、灵活可扩展、安全可靠等四大优势。据不完全统计,有5家科技老手和6家创业新秀的产品直接或间接的瞄准了基于RISC-V架构的AI芯片。

一、阿里平头哥蓄势待发,华米打响可穿戴AI芯片头炮

RISC-V是一种基于精简指令集计算原理建立的开放指令集架构(ISA),由2017年新晋图灵奖得主、加州大学伯克利分校的Dave Patterson教授带领团队设计研发。

阿里巴巴今年9月创建的平头哥半导体公司是由阿里巴巴全资收购的杭州中天微和阿里达摩院合并而成,主要发力于32位高性能和低功耗嵌入式CPU的IC设计。

就在合并的2周前,中天微宣布基于RISC-V的第三代C-SKY指令架构,同时发布基于RISC-V第三代指令架构处理器CK902,可灵活配置TEE引擎,支持IoT安全功能。

截至9月,中天微基于C-SKY CPU IP核的SoC芯片累计出货量已经突破8亿颗。中天微还将针对不同的产品应用场景和客户设计需求,持续推出支持RISC-V的CPU IP系列。

此外,中天微与小米旗下的松果电子在11月宣布就RISC-V达成全方位的战略合作伙伴关系并进行联合开发,以中天微RISC-V CPU处理器为基础平台,松果电子提供极具市场竞争力的SoC智能硬件产品。

同样在今年9月,小米生态链首家在美国上市的公司华米科技推出了首款RISC-V架构的可穿戴设备黄山1号,并称是全球首款支持AI的可穿戴设备芯片组。

华米的这款可穿戴AI芯片由一颗主频可达240MHz的处理器和HeartID、ECG、ECG Pro、Arrhythmia四个AI引擎组成,实现在本地端对心率、心电、心律失常等心脏问题进行24小时低功耗实时监测分析。

其创始人兼CEO黄汪在10月的采访中告诉智东西,和手机AI芯片不同,黄山1号可以在智能手表中作为一款协处理器芯片,配合主处理器工作,也可以在智能手环中扮演主处理的角色。(独家对话华米CEO黄汪:首款穿戴AI芯片背后的阳谋!)

阿里平头哥和华米瞄准的是IoT领域,而美国的老牌FPGA供应商美高森美(Microsemi)的RISC-V相关产品则主打高速增长的医疗、工业等机器视觉系统市场。该公司不仅为嵌入式设计提供RISC-V IP内核,并为该系列产品提供完整的工具链和基于RISC-V+Linux+CNN加速器的AI解决方案。

美高森美与创企SiFive合作开发的RV32IM RISC-V内核使客户能够利用开放式指令集架构(ISA)进行设计,通过许可的BSD授权,实现全面的移植性和更安全的处理器架构。

设计人员可以将设计自由地从FPGA移植到ASIC,而无需支付权益金。此外,工程人员还可以针对其特定应用协作、修改和改编RISC-V内核,充分发挥创新水准。

除了美高森美外,另一家IP公司台湾晶心科技在近日于美国硅谷举行的2018 ANDES RISC-V CON大会上展示了基于RISC-V的产品。

晶心科技是第一家纳入RISC-V的商用主流CPU IP公司,该公司在大会上详细介绍了使用开放来源指令集架构(ISA)的6颗内核以及开发中的4颗内核,截至上个月,晶心科技的RISC-V内核在全球拥有12家授权商,被广泛用于储存服务器、指纹辨识器以及几种AI应用中。

除了上述提及的公司外,北京君正、中兴微、联发科等很多玩家的RISC-V计划正在进行中,西部数据、英伟达、三星等科技巨头也分别在公共场合表露将在旗下产品中用到RISC-V架构。

硬盘巨头西部数据在去年11月宣布,未来旗下硬盘处理器和控制器都逐渐转移至成RISC-V架构,一旦转型完成,预计每年将有20亿个基于RISC-V架构的内核出货。

GPU王座英伟达表示将来会把旗下的GPU控制核心替换成RISC-V核,三星半导体也被指在其Exynos 8890处理器中首次采用基于开源的RISC-V架构的自主CPU内核M1。

未来上述大公司或机构很有可能会将RISC-V运用到他们自己的云计算设施中,以摆脱对X86的依赖或是减少昂贵的ARM指令集授权费用。据悉欧盟超算机构EPI已经决定在规划中的两套下一代E级超算中的其中一套用上RISC-V处理器。

二、ARM小师弟?RISC-V的诞生史

引得一众科技巨头为之站台的RISC-V,和当前移动终端的主流架构ARM却是师出同门。

众所周知,芯片江湖有两大指令集架构纵横天下,复杂指令集(Complex Intruction Set Computer, CISC)的代表英特尔x86在PC市场无出其右,精简指令集(Reduced Intruction Set Computer, RISC)的代表ARM则在移动终端独领风骚。

两类指令集的命名都相当“集”如其名:CISC指令集约有20%的指令会被反复使用,占全程序代码的80%,靠设计出尽可能复杂的指令来完成任务;而RISC的理念更加精简,会采用固定长度的指令格式和单周期指令,优先选用最高频使用的简单指令。

上世纪80年代,加州大学伯克利分校的Dave Patterson教授主导了Berkeley RISC项目并从零设计出第一代处理器RISC I。因为当时市面的CPU价格太昂贵,英特尔又不肯给出x86的授权,英国Acorn公司的创始人Roger Wilson和Steve Furber设计了第一款RISC微处理器——ARM(Advanced RISC Machine)。

几乎是同一时间,曾斯坦福大学校长的John Hennessy与其团队设计出MIPS处理器的早期雏形,并最终孵化出后来被Imagination收购的MIPS公司。

随着智能手机时代的到来,ARM以其低功耗、低成本和高性能的特点攻破微软和英特尔打造的PC壁垒,迅速在移动互联网的狂潮中建立起自己的生态,将苹果、高通、三星等一大批巨头拢入麾下,共同颠覆了传统互联网时代。

而如今AI、IoT等新兴技术的爆发,处理器指令集架构大有再有改朝换代之势。而这一轮新的变天风波的主角,正是ARM的同门师弟——第五代RISC处理器RISC-V芯片。

RISC-V是基于精简指令集(RISC)原理搭建的全新开源指令集架构(ISA),亦由David Patternson教授带领完成。V既指第五代,又代表变化(variation)和向量(vectors)。

秉承“大道至简”的设计哲学,RISC-V基础指令集只有40多条,加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。 RISC-V的规范文档仅有145页,而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。

相比传言要上千万美元的ARM指令集架构的许可证,RISC-V以其完全开源、短小精悍的模块化设计、没有过时定义的束缚、没有严重的指令冗余、没有专利问题等优势开始吸引全球初创公司和研究机构的目光。

三、国内创企方兴未艾,国外创企产品已出

在科技巨头还在放话要支持RISC-V架构之时,国内外多家创企已经积极行动起来。

今年10月29日,2008年创立于上海的企业乐鑫收到一个好消息。乐鑫“基于RISC-V指令集架构的ESP32-Marlin物联网芯片”项目入选上海经信委对软件和集成电路产业发展专项资金拟支持项目名单。

芯来科技比乐鑫的成立晚了10年,却是国内第一家专注于IoT和边缘计算领域的RISC-V处理器内核IP公司,该公司推出了用于IoT应用的N200系列超低功耗RISC-V核心IP,据称和国外公司处于同一起跑线。

芯来科技的COO徐来告诉智东西,RISC-V和ARM间存在客观差距,所以该公司选择了ARM立足不问的IoT等领域。传统的IoT领域比较封闭,不像传统的手机处理器应用那么依赖生态,从这个点开始逐步完善IoT领域是个不错的策略。

其创始人胡振波是第一本RISC-V中文书《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》的作者,开发了中国第一款开放来源的RISC-V核心蜂鸟E203(Hummingbird E203)。

在蜂鸟E203面世时,胡振波目睹了国外很多专业RISC-V内核IP公司陆续出现并飞速发展,其中SiFive公司能运行Linux的四核RISC-V内核已在中国大陆市场推广,而国内CPU业界迟迟未见行动,“着急”的胡振波毅然决然的成立了芯来科技。

而把芯来科技“逼”出来的关键要素之一SiFive即是美国一家从RISC-V项目团队孵化出的基于RISC-V的定制半导体供应商,它通过开放式架构处理器核心及自主式开发基于RISC-V架构芯片来帮助SoC设计。

该公司在今年5月就完成了5060万美元的C轮融资,华米科技也参与了该轮融资。今年6月,SiFive宣布推出其为嵌入式设备使用设计的可配置的小面积、低功耗微控制器(MCU)核心E2 Core IP系列。

除了SiFive之外,美国还有两家RISC-V创企的创始人都师从RISC-V的开创者David Patterson,他们分别是OURS的创始人谭章熹博士和Esperanto的创始人Dave Ditzel。

OURS公司在深圳设立的中资公司睿思芯科,仅用7个月就设计出了一款基于64位RISC-V指令集的AI芯片Pygmy,采用台积电28nm制程工艺,具有12个高度可编程AI加速引擎,主要针对神经网络以及CNN算法进行了优化,能够支持AI图像和语音的应用,能耗和面积明显优于同级别Arm架构芯片。

根据睿思芯科的说法,Pygmy对比同级别的Arm芯片,能耗下降85%,面积减少80%,相当于用一般的32位处理器的面积和功耗就实现了64位处理器的性能。这款AI芯片一次性流片成功,并在11月初世界互联网大会上David Patterson的演讲中首次亮相。

另外,提供Pygmy芯片的同时睿思芯科还开发了编译器、SDK、工具链,基于GCC、LLVM等开源实现,可以支撑Pygmy用户更好的进行二次开发。

Esperanto Technologies的总裁兼CEO Dave Ditzel从事芯片工作有40年了。他在大学期间就参与了RISC-V指令集的开发,曾在英特尔工作6年,并曾领导微软一个重要的项目团队。

2014年,Dave Ditzel成立Esperanto Technologies公司,旨在要打造能够以超低功耗运行AI软件的芯片,并希望最终打造出基于RISC-V等开源标准的最强计算性能的机器学习计算系统。

目前,该公司正在设计一款单芯片上的超级计算机,采用台积电7nm制程技术,能在每个芯片上放置具有完整64位RISC-V处理器的一千个ET-Minion处理器内核。Dave Ditzel向智东西透露,明年Esperanto将有新产品投入市场。

虽然同样是做基于RISC-V架构的处理器,法国创企Greenwaves Technologies主要面向的是来自IoT等终端市场的边缘计算需求。

GreenWaves在今年3月推出了全球第一款RISC-V架构的超低功耗边缘计算处理器GAP8,采用台积电55nm 55LP制造工艺,旨在边缘端依赖电池做长期的复杂运算,可应用于噪音过滤、检测摄像头、纳米无人机等边缘设备,从而进一步扩展物联网市场。

该公司CEO Loic Lietar告诉智东西,GAP8的架构使它不仅拥有比竞争对少高20倍的计算能力,而且在成本系统解决方案所需的电力方面,较竞争对手低2到3倍。

他还介绍,GAP8计划在明年量产,而能效比GAP8提升6倍、浮点计算能力比GAP8提升2倍的GAP9将在明年12月份会进行出台,在2020年的一季度进行量产。

除了欧美国家之外,我们的邻国印度也推出了自研的基于RISC-V架构的芯片。

印度理工大学马德拉斯(IIT-M)研究团队推出了印度第一个自主微处理器Shakti。该项目始于2011年,该芯片的设计基于RISC-V指令集架构,使用180nm工艺,由印度空间研究组织(ISRO)的半导体实验室在昌迪加尔制造,可用于洗衣机、智能相机等智能设备中。 7月,英特尔位于美国俄勒冈州的工厂生产了300个Shakti的早期版本芯片“RISECREEK”。

从Shakti处理器研究团队独立出来的印度创企InCore Semiconductors针对从超低功耗IoT到台式计算机的边缘系统应用,正在打造基于RISC-V的处理器内核,以及深度学习加速器和SoC设计工具,并预计将在今年年底之前推出其首款核心。

四、RISC-V如何在IoT领域比传统CPU+AI引擎做的更好?

今年6月底,ARM曾开设了一个“质疑”RISC-V架构的网站riscv-basics.com,从成本、生态系统、碎片化风险、安全性和设计保证上对 RISC-V 进行攻击。这一举动被许多人解读为ARM已经感受到来自RISC-V的威胁。在遭到了RISC-V建网站反怼并引起众多厂商和软件社区的不满后,ARM在7月10日关掉该网站。

然而众所周知,ARM在移动终端的地位稳如泰山、坚若磐石,“后来者居上”的可能性极低。那么为什么RISC-V这几年发展速度远超过其他处理器?它又为什么会被称为是IoT领域最适合的处理器架构呢?

总的来说,RISC-V指令集架构具有低功耗、低成本、开源开放、可模块化、简洁、面积小、速度快等优点,与IoT场景需求碎片化的、可定制化的特性十分契合。

1、低功耗

通常每个AI芯片在CPU上的耗能非常高,会致使整个续航能力下降。而RISC-V适合用于高效设计实现,开发者可根据应用需求灵活剪裁,再加上其全部RISC-V指令不超过50个,因此其内核面积更小,相应的功耗越低,能以极低的能耗来实现高效的AI元器件的运行。

华米创始人兼CEO黄汪告诉智东西,手机芯片需要不断使用最新的制程,而IoT芯片使用55nm/40nm非常成熟的半导体工艺就可以制作,55nm流片的工艺成熟度使得代工厂商的可选性很多,大陆、台湾、新加坡的均可,这就降低了依赖性。

2、低成本

RISC-V允许任何人免费设计、制造和销售RISC-V芯片和软件,无需像ARM那样购买昂贵的架构许可证。

据黄汪介绍,市面上不具备AI而只具备同样主频的芯片成本一般在2美金左右,而具备AI功能的芯片成本少于1美金,RISC-V在成本和功能上都大大跃进了一步。不同于手机芯片动则需要投入几亿美金,做颗芯片流片量产几千万人民币,不会太费钱。

GreenWaves创始人兼CEOLoic Lietar也提到,其GAP8产品在成本系统解决方案所需要的电力方面,比它的同等其他的替代竞争对手要低2到3倍。

做处理器不仅要考虑硬件设计,还要考虑用它来进行编程的用户,所以也包含了工具链和相关生态建设。芯来科技COO徐来还提供了另一个角度,如果由一家公司承担这些建设,时间和资金投入的成本都会非常高,比如英特尔就花了几十年来做生态建设,而由于RISC-V是一个标准化指令集架构,很多不同公司和个人会参与到生态建设,均摊了研发成本。

3、灵活可扩展

RISC-V是一个模块化的架构,其不同部分能以模块化的方式串在一起,从而试图通过一套统一的架构满足各种不同的应用。

由于IoT场景非常广泛和碎片化,需要为数千种以多种不同方式连接世界的应用案例来设计芯片,因此可扩展的架构成为终端运算的关键。

和不同系列相互不兼容的ARM相比,RISC-V具有能够灵活地扩展指令集的优势,可以新增专用指令,也可以扩充边缘运算装置所需的运算资源,不仅能实现超低功耗的复杂AI计算,而且有助于推动架构创新以达到更高的能效。a

另外,x86、ARM、MIPS等架构的知识产权都属于某个特定的外国公司,无法在指令集架构上按自己的想法做修改和扩展,而且在工具链做的修改是没有人维护的。

特别是在IoT领域,徐来认为,比如在智能传感器等设备,只需要有限指令集,芯片面积又要求尽可能小,在这种情况下需要对现有处理器进行剪裁。相对于不能修改的x86、ARM等传统指令集架构,RISC-V因其开放性可以做一些剪裁。

而且IoT设备会长时间重复运行几个应用,不会像PC或手机那样需要安装和卸载不同应用,因此不存在对软件兼容性的依赖问题。

因其可扩展性,RISC-V的应用范围非常广阔。Loic Lietar表示,RISC-V指令集设计的目标是能够满足从微控制器到超级计算机各种尺寸处理器的需求,不过目前看到的更多的是RISC-V IoT终端处理器。

4、安全可靠

采用ARM等封闭式架构内核的平台,开发者看不到源代码,所以无法了解门级电路设计细节。一旦出现问题,开发者将不得不给原架构提供商打电话派人来解决问题。

不过RISC-V可以解决这一问题。RISC-V的用户可以查看内核的所有细节,可以全面检查每一行代码以确定系统的安全,甚至根据需要定制化自己的安全模块。相对于ARM,对产品安全要求高的人可能会更能接受RISC-V。

结语:RISC-V有望加强中国处理器IP的话语权

尽管从市场的实际情况来看,RISC-V取代ARM在移动终端等核心业务中的地位基本无望。但业界普遍认为,在IoT等新兴的边缘领域,RISC-V与ARM处于同一起跑线,两者将形成正面竞争,RISC-V在成本等方面具有优势,Arm在生态等方面具有优势。因此,RISC-V是很有希望促使中国加强处理器IP的话语权,推动产品创新和差异化,建立自主可控的产业生态。

如今国内的RISC-V生态建设正在快速推动中,从5月,上海发布国内首个明确表示支持RISC-V的政策,到9月,中国RISC-V产业联盟在上海成立,再到11月,中国开放指令生态(RISC-V)联盟在乌镇宣布成立。

产业联盟的多家企业表示,RISC-V的开源将大大降低指令集修改的门槛,有利于中国发展自主可控的处理器,摆脱国外的制约。

不过,技术的先进性不代表商业就能成功,生态问题始终是制约一个架构发展的最大瓶颈。ARM之所以能制霸移动终端,除了它在技术上的优势外,抓住时机、迅速建立起生态亦是关键。但生态建设并非一蹴而就,隐藏在生态问题背后的政策、资金、人才等多方面的压力都在制约着RISC-V在国内的发展。

要实现国产RISC-V自主可控发展,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和客户群。在真正对ARM造成威胁之前,RISC-V距离成为主流架构还有很长的路要走。

PC时代成就了英特尔x86,移动时代成就了ARM,那么AI和IoT时代成就的会是RISC-V吗?

推荐DIY文章
出现拍照上可抗衡华为Mate 20的国产新机?是小米9没跑了
骁龙855配置泄露 明天发:支持5G秒980 首发机型就这样?
雷军上市,明珠造芯,董小姐的10亿赌约,无输家
联想公司将抢先发布挖孔全面屏,华为三星始料未及!
马化腾正式高调宣布,微信将新增三大功能,网友:我盼了7年
vivo NEX双屏版后置三颗摄像头 将配备屏幕指纹识别