2010 年誕生的最“年輕”指令集 RISC-V 已經(jīng)吸引了眾多巨頭支持者，比如國外的谷歌、高通、西部數(shù)據(jù)，國內(nèi)的阿里、華為、紫光展銳。近幾年，開源的 RISC-V 指令集芯片在 IoT 市場(chǎng)已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成績，給這一市場(chǎng)占有優(yōu)勢(shì)的 ARM 帶來不小壓力。
Semico Research 預(yù)計(jì)，2025 年全球?qū)⒂?624 億個(gè) RISC-V CPU 核心。RISC-V 指令集不僅可以用于 CPU，全球首款基于 RISC-V 指令集的 DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)將在本月底量產(chǎn)，該芯片來自中國初創(chuàng)公司中科昊芯。
對(duì)于 RISC-V 陣營而言，這是生態(tài)建設(shè)中一個(gè)值得關(guān)注的進(jìn)展。對(duì)于 DSP 芯片而言，這是一個(gè)大膽的嘗試。對(duì)于中國的國產(chǎn)芯片四大件而言，這是一個(gè)突破的機(jī)會(huì)。
全球首款 RISC-V DSP 面向工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)
根據(jù)已知的公開消息，中科昊芯是全球第一家用 RISC-V 指令集設(shè)計(jì) DSP 的公司。中科昊芯創(chuàng)始人兼董事長李任偉告訴雷鋒網(wǎng)：“我們是國內(nèi)為數(shù)不多的 DSP 團(tuán)隊(duì)，有十多年 DSP 和通用處理器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在 2016 年就開始 RISC-V 處理器核的研究。2019 年 1 月公司成立，7 月份首款 RISC-V DSP 芯片流片成功。”
“3 月底我們就會(huì)量產(chǎn)兩個(gè)系列的 DSP，都是面向工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)。”李任偉透露。
中科昊芯之所以敢率先選擇 RISC-V 設(shè)計(jì) DSP，除了其團(tuán)隊(duì)有成功研發(fā)多款處理器的經(jīng)驗(yàn)，還因?yàn)?RISC-V 是解決國產(chǎn) DSP 兩大挑戰(zhàn)的好選擇。DSP 是一類嵌入式通用可編程微處理器，最大的優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崟r(shí)高速處理數(shù)字信號(hào)，且比 CPU、GPU、FPGA 功耗更低，廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算、消費(fèi)電子和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。
“DSP 主要有兩種形式，一種是單芯片，另一種是通過 IP 或模塊集成到 SoC。”李任偉說：“國產(chǎn)單芯片 DSP 有一些市占率，在 DSP IP 領(lǐng)域國產(chǎn)化率幾乎為零。”
雷鋒網(wǎng)了解到，國產(chǎn) DSP 在某些特殊領(lǐng)域的國產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到 80% 以上，但這些特殊領(lǐng)域占 DSP 整體市場(chǎng)的份額不到 5%，其它領(lǐng)域國產(chǎn) DSP 自給率不足 10%。
提升 DSP 的自給率，有兩大制約因素。第一個(gè)制約因素是知識(shí)產(chǎn)權(quán)，任何處理器都需要指令集，指令集的問題本質(zhì)就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。CPU 有 x86、ARM、MIPS 等指令集，其中 ARM 憑借授權(quán)模式在移動(dòng)處理器市場(chǎng)稱霸。
“巨頭們的 DSP 指令集都各不相同，并且不對(duì)外授權(quán)，國產(chǎn) DSP 想要自己定義一套指令集的難度不大，但僅憑一己之力很難構(gòu)建一整套工具鏈和生態(tài)。”李任偉指出。
第二個(gè)制約因素是應(yīng)用生態(tài)，如何吸引開發(fā)者和客戶使用國產(chǎn) DSP 是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。
“RISC-V 是一個(gè)開源指令集，沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。同時(shí)，無論是國內(nèi)還是國外，企業(yè)還是高校，都紛紛加入 RISC-V 基金會(huì)，生態(tài)發(fā)展很快。”李任偉說：“當(dāng)時(shí)我覺得 RISC-V 有機(jī)會(huì)把國產(chǎn) DSP 面臨的兩大挑戰(zhàn)完美解決，因此我們?cè)?2016 年就大膽做了選擇，開始自主研發(fā)基于 RISC-V 的 DSP。”
至于為何首先推出面向工業(yè)控制市場(chǎng)的 RISC-V DSP，主要有三個(gè)原因。
解決 RISC-V 性能弱挑戰(zhàn)，發(fā)揮靈活性優(yōu)勢(shì)
“之所以選擇工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器視覺這兩個(gè)市場(chǎng)，主要是因?yàn)槲覀儓F(tuán)隊(duì)在這兩個(gè)領(lǐng)域無論是技術(shù)儲(chǔ)備還是市場(chǎng)推廣方面都有更多積累。”李任偉進(jìn)一步表示，“當(dāng)然，這兩個(gè)領(lǐng)域我們也會(huì)分步走，先推出面向工業(yè)自動(dòng)化的一系列產(chǎn)品，再推出面向機(jī)器視覺的產(chǎn)品。”
還有一個(gè)原因，消費(fèi)電子和自動(dòng)控制市場(chǎng)規(guī)模占到整個(gè) DSP 市場(chǎng)規(guī)模的 11%，工業(yè)控制市場(chǎng)也是 DSP 巨頭的重要市場(chǎng)，這是一個(gè)好的突破口。
面向這兩個(gè)領(lǐng)域的 DSP 在性能上會(huì)有很大的差異，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化的 DSP 是數(shù)字信號(hào)和控制之間的橋梁，更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)控制和應(yīng)用中的變換性能，應(yīng)用于機(jī)器視覺的 DSP 則需要更強(qiáng)的算力。
高算力對(duì)于 RISC-V 指令集的芯片是個(gè)大挑戰(zhàn)。李任偉說：“基于 RISC-V 指令集的 DSP 與巨頭公司的 DSP 在體系結(jié)構(gòu)上有很大的差異，在相同的主頻下，RISC-V 指令集的 DSP 性能與巨頭公司 DSP 性能有較大差距。”
其本質(zhì)原因還是傳統(tǒng)的高性能 DSP 的體系結(jié)構(gòu)是針對(duì) DSP 算法設(shè)計(jì)的，其一條指令可以實(shí)現(xiàn)諸多復(fù)雜功能，而用 RISC-V 指令來做相同的事情則需要調(diào)用多條指令。“這對(duì)我們而言是非常大的挑戰(zhàn)，憑借著我們團(tuán)隊(duì)豐富的經(jīng)驗(yàn)，在最基礎(chǔ) RISC-V 指令集的基礎(chǔ)上，根據(jù)算法的特點(diǎn)，抽取定義了很多 DSP 指令，再加上體系結(jié)構(gòu)方面的大量創(chuàng)新，最終才設(shè)計(jì)出性能和功耗優(yōu)異的 DSP。”李任偉表示。
解決了 RISC-V 帶來的性能挑戰(zhàn)，RISC-V 指令集的優(yōu)勢(shì)也得以突顯。“由于我們只是用了最基礎(chǔ)的 RISC-V 指令集，和自己擴(kuò)展的指令集，沒有向前兼容的問題，再加上 RISC-V 本身的功耗優(yōu)勢(shì)，我們的 DSP 有功耗優(yōu)勢(shì)。”李任偉同時(shí)表示：“正如 RISC-V 在每個(gè)領(lǐng)域都可以發(fā)揮定制化優(yōu)勢(shì)一樣，在 DSP 領(lǐng)域也同樣如此。我也認(rèn)為未來會(huì)是領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)的時(shí)代。”
芯片更高的性價(jià)比并不意味著就會(huì)受到開發(fā)者和用戶的歡迎，應(yīng)用生態(tài)是更大的挑戰(zhàn)。“我經(jīng)常說我們其實(shí)是站在巨人的肩膀上，如果沒有 RISC-V 社區(qū)的貢獻(xiàn)，我們想要做出完整的工具鏈的難度太大。有了開源的方案，就可以在開源的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和定制，大大降低難度。”
李任偉說：“為了讓用戶比較方便的切換，我們也做了很多工作，包括開發(fā)環(huán)境，界面以及接口等，通過編譯器和提供足夠多的庫，用戶基本不用改變習(xí)慣就能非常容易地切換到我們的 DSP，而且成本很低。”
先以用戶熟悉的方式切換到國產(chǎn) DSP 芯片，再逐漸去提升性能，從中低端市場(chǎng)切入，一步步發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)芯片的高端替代。以中科昊芯為代表的國產(chǎn) DSP 芯片公司找到了一條不錯(cuò)的國產(chǎn)替代路線，但突破挑戰(zhàn)不小，也需要耐心。
國產(chǎn)替代浪潮下突破 三大巨頭的統(tǒng)治
“不管哪個(gè)領(lǐng)域，不管高端還是中低端，芯片的國產(chǎn)替代最難的都是應(yīng)用生態(tài)。”李任偉認(rèn)為，“之前國內(nèi)的用戶即使想用國內(nèi)的芯片，也沒有選擇。”
如今，國家大力發(fā)展國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)，并提出了明確目標(biāo)。2020 年 8 月國務(wù)院印發(fā)的《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》提出，中國芯片自給率要在 2025 年達(dá)到 70%。
在資金和政策的支持下，包括 CPU、GPU、FPGA、DSP 在內(nèi)的國產(chǎn)芯片迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，中科昊芯也是在這樣的背景下成立。“對(duì)于國產(chǎn)替代更迫切的領(lǐng)域，包括 DSP 在內(nèi)的國產(chǎn)芯片的自給率提升會(huì)更加容易，比如電力和軌道交通等領(lǐng)域。”李任偉說道。
“除了特定的領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化等市場(chǎng)，國內(nèi)用戶對(duì)國產(chǎn)芯片的態(tài)度也更加開放。從去年到今年，我們明顯感受到客戶接受國產(chǎn)新片的意愿越來越強(qiáng)，包容度也更高了。”
對(duì)于許多用戶都擔(dān)心的國產(chǎn)芯片的穩(wěn)定性問題，李任偉表示中科昊芯的芯片有嚴(yán)格的測(cè)試流程，穩(wěn)定性沒有問題。
國產(chǎn)芯片還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，更能滿足國內(nèi)市場(chǎng)需求。比如越來越受關(guān)注的安全性，許多國產(chǎn)芯片都通過硬件的方式增強(qiáng)芯片的安全性。中科昊芯還可以提供定制化的功能，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的安全性。
還有一個(gè)不容忽視的機(jī)遇，包括 TI、ADI、NXP 在內(nèi)的三大 DSP 芯片巨頭都普遍缺芯。DSP 芯片并不需要業(yè)界最先進(jìn)的 7nm、5nm 工藝，國內(nèi)的芯片代工廠可以代工，并且芯片的封測(cè)大部分也在國內(nèi)進(jìn)行。
“如果使用國內(nèi)成熟的節(jié)點(diǎn)，芯片的生產(chǎn)受到的影響會(huì)小一些。缺芯對(duì)于國產(chǎn)包括 DSP 在內(nèi)的國產(chǎn)芯片確實(shí)是一個(gè)機(jī)會(huì)。”李任偉說。
小結(jié)
與 CPU、GPU、FPGA 共稱為芯片四大件的 DSP 由于其專用性更強(qiáng)，無論是市場(chǎng)規(guī)模還是受關(guān)注度都更小。即便如此，DSP 的國產(chǎn)替代對(duì)于實(shí)現(xiàn)芯片的自主可控和高端替代仍意義重大。作為國內(nèi)為數(shù)不多的 DSP 芯片公司之一，中科昊芯選擇的 RISC-V 指令集能夠解決知識(shí)產(chǎn)權(quán)和應(yīng)用生態(tài)兩大挑戰(zhàn)。
但正如李任偉對(duì)雷鋒網(wǎng)所說，“從最開始定義產(chǎn)品，我們的目標(biāo)就很明確，同等檔次的產(chǎn)品要比國外巨頭的 DSP 性價(jià)比更高。要達(dá)成這個(gè)目標(biāo)的難度挺大。”
值得慶幸的是，中科昊芯去年和今年都有融資，獲得了資本的認(rèn)可，客戶目前的反饋也非常正面。
保持耐心，抓住機(jī)遇，國產(chǎn)芯片的未來值得期待。
