RISC-V處理器如何成為開源硬件發展的基石？

今年是Linux內核發布三十周年。二十年前，程序員認為Linux只是一種利基技術，猜測它行不通。然而，利用公眾免費發布的Linux，這一開源代碼催生了數百個項目，從而出現了一大批穩健且靈活的產品，Linux成為開源軟件發展的基石。

這種成功是否可以復制到開源硬件上呢？RISC-V這樣的指令集架構（ISA）是否也可以像Linux內核作為開源軟件的基礎一樣，成為開源硬件發展的基石呢？

這個問題沒有準確答案。

當前的RISC-V是一種開放的架構，作為一種標準提供，開發人員可以自由、靈活、快速地基于它進行產品設計。但另一方面，硬件更加復雜，有多層堆棧，因此不像軟件包那樣簡單。

本文對RISC-V硬件生態系統的參與者進行了調查，包括OpenHW集團、RISC-V International、恩智浦半導體、Andes Technology、英偉達和西部數據，描述了開源軟件的相似性、使用的障礙以及支持社區和生態系統的重要性，還探討了開源硬件對商業芯片制造商的意義。

質量及生態系統是關鍵

OpenHW集團總裁兼首席執行官Rick O‘Connor認為RISC-V等同于Linux內核，他在接受筆者采訪時說：“圍繞Linux內核，其他開源軟件項目和計劃如雨后春筍般涌現。RISC-V ISA一開始也跟Linux內核一樣，如果說Linux內核是20年前的軟件種子，那么RISC-V ISA就是硬件種子?！?/p>

然而采用開源硬件仍然存在障礙?！捌渲幸粋€障礙是質量問題?！監’Connor補充道，“如果你在一個芯片或SoC產量較高的公司工作，肯定不會把寶押在這個從網上下載的IP塊上，你不可能直接走進老板辦公室，說我們已準備好使用這個大學開發的酷炫內核了，這個內核應該用在我們的大批量SoC中?！?/span>

因此，OpenHW集團提倡開放的驗證流程，“人們可以查看生態系統達到的質量并使用其得到的結果——如果完全自己開發，他們就應該能獲得高產量SoC公司所期望的結果?！監’Connor說。O’Connor還指出了業界對RISC-V和RISC-V International的誤解，后者是監督內核ISA規范的基金會，他說：“人們總是誤以為RISC-V International是開發內核的，實際上它并不是，而是專注于開發一系列定義指令集架構規范。這些規范適于各種用途：商業、開源、閉源、營利或非營利，設計人員可根據自己擅長的邏輯捕獲語言，用不同的語言編寫?！?/p>

O’Connor強調OpenHW集團不只是開發RISC-V內核?！拔覀冋嬲龑Ｗ⒌氖钱悩嫾河嬎闼璧臉嫾?，用于各種尺寸的SoC。我們將不同類型的內核、加速器以及所需的各種模塊匯集在一起?！彼硎?，“RISC-V ISA在此發揮了關鍵作用，它開拓了一個創新的領域”。任何人只需下載ISA規范就可以在設計中使用內核，而無需與任何人簽署協議。從這個角度來看，RISC-V ISA是推動RISC-V發展的關鍵因素?；叵?0年前，基于Linux內核的實現方案非常多，遠遠超過今天基于RISC-V ISA的實現方案。硬件行業面臨的挑戰是，如何才能基于RISC-V持續提供五至六個內核系列?！?/p>

恩智浦半導體負責研發的軟件工程副總裁Rob Oshana表示，開源硬件的發展方式與開源軟件幾乎完全相同。從Linux Kernel Archives可以知道，“Linux是成千上萬的開發人員協作開發和使用的實際源代碼”。

“RISC-V International擁有的是規范，而不是具體的實現方案。該規范是經過開發人員通力協作制定的，在當前的RISC-V社區和生態系統下工作良好?！監shana說，“基金會現在還沒有開放的實施方案，OpenHW集團正在填補這一空白，以開發免費、開放、免版權的實施方案以及其他類似Linux基金會的擔保?！?/span>

RISC-V需要社區支持，不僅僅是規范

隨著開源從軟件擴展到硬件，越來越需要社區或相應的生態系統?！叭魏我粋€開放的社區都需要培養、呵護與供給。隨便扔點東西進Git就稱其為“開放”，這樣注定會失敗。它需要一個社區。

“如果不是經過社區的努力，構建了內核、板子、軟件和參考平臺，OpenHW集團的內核不會成功?！監shana補充說，“OpenHW集團正通過最好的實踐來使這一硬件技術獲得成功，關鍵在于如何利用最佳實踐并持續投資實際工程，以保持硬件開發的成功?！?/p>

與此同時，開源工具也在不斷發展?！拔覀冃枰惶卓煽康挠布ぞ邅碇С?，”Oshana指出。和其他人一樣，他也認為真正衡量一個開放社區的標準是參與度。例如，一旦發布一種實施方案，關鍵指標就在于用戶社區如何管理更改需求、修復錯誤等?！斑@相當于Linux的上游，”Oshana說，“維護者的角色需要明確?！?/p>

RISC-V International的首席技術官Mark Himelstein也強調了社區的重要性?！癓inux不一定是最好的操作系統，但人們為什么用它？因為有社區和支持。它的魔力就在于主人翁的自豪感?，F在使用Linux很簡單，而我認為RISC-V就是硬件的Linux。我相信，再過五到十年，人們也可以毫不費力地使用RISC-V?！?/p>

硬件比軟件復雜

開源硬件和開源軟件的主要區別在于整個堆棧的復雜性。O’Connor說：“看看當今生產的絕大部分芯片，其中超過95％采用Verilog工具流程并在相應的商業驗證基礎設施中生產和驗證。因此，如果我們想讓別人使用這些內核，就要讓它們輕松融入到這種商業工具流程中?！?/p>

SoC供應商大多使用SystemVerilog通用驗證方法來驗證環境。O’Connor說：“我們不會讓他們采用不同的方法。如果我們真的想要這些開源代碼塊實RTL采用，它們就必須能夠融入該工具流程?！?/p>

硬件的物理特性仍然使軟件開發人員面臨前所未有的問題。O‘Connor指出：“在半導體晶圓廠中，從幾何層面的物理特性來看，秘訣在于晶圓工藝?！彼岬搅舜笮凸濣c的工藝設計中那些令人鼓舞的成果?！艾F在有了晶圓工藝支持、最重要的庫、用于生產GDSII的CAD工具物理層以及掩模技術本身，還有生產掩模的設備、用于驗證設計的仿真和驗證軟件與工具、用于捕獲和綜合設計的綜合工具、以及用于這些設計的IP?！彼忉屨f。

“歷經數十年開發，堆棧中的所有層都包含與各層相關的豐富的專利組合，層與層之間的聯系也非常緊密，因此，任何商業公司都不會用開源的方案和工具來替換整個堆棧?！監’Connor指出。OpenHW集團的創始人曾考慮是否創建專門針對RISC-V內核的生態系統，但最終決定放棄。O’Connor說，他們的首要目標是創建內核?！拔覀兊乃妓?，都是為了解決開源硬件面臨的挑戰。我們的目標是利用通用構建塊輕松構建異構集群，同時能用自己的秘密武器（圍繞它構建的加速器和擴展）進行量身定制?！?/p>

涉及的工作包括在通用組件上進行協作，并在軟件工具級別、硬件RTL級別甚至驗證級別上定義接口點。O’Connor認為，“這樣就可以修改一組通用的構建塊來添加自定義加速，創建實現自有加速器算法的自定義異構集群。RISC-V作為一種ISA，我們一開始是在處理器內核中采用吸引人的通用構建塊，然后在此基礎上進行構建，同時還利用最好的商業工具增強使用者的信心。所以，IP是他們可以信任的?！?/p>

O’Connor預測很快就會有開源FPGA，最后還會有SoC。

RISC-V處理器設計浮出水面

基于RISC-V開源硬件的處理器設計與開源軟件有所不同：其框架凍結了指令集架構（ISA），使其作為一個可長期使用的組件。ISA是處理器能讀懂的詞匯表，軟件使用該詞匯表來編寫。采用這種語言對軟件進行編碼，可以告訴處理器應該做什么。

任何人都可以使用RISC-V ISA來完成設計擴展。與開源軟件的共同點是，RISC-V也沒有IP版權問題，參與者可以共享其設計成果。簡而言之，RISC-V允許設計工程師進行創新，為他們提供選擇的自由。

SiFive聯合創始人兼首席架構師Krste Asanovic在CES 2021大會的小組討論中闡明了RISC-V在開源硬件領域的地位。Asanovic說：“RISC-V不是開源處理器，而是開發處理器的開放標準?！币虼?，這個規范是開放的，任何人都可以利用它進行設計。這類似于一種微架構許可，允許處理器開發人員完全按照自己的需要進行定制，以優化處理器設計。例如，存儲設備制造商西部數據（Western Digital）針對固態驅動器設計開發了自己的控制器處理器，以優化與主CPU和閃存之間的控制器接口。

圖：西部數據的SweRV Core EL2內核可取代片上系統的狀態機和其他邏輯功能。

在2020年RISC-V峰會期間，西部數據展示了一款搭載其開源RISC-V SweRV內核的閃存控制器，其高級業務總監Ted Marena表示，西部數據將在開源社區發布其RISC-V內核。他說：“盡管我們開發了內核，實際上內核并不是真正的秘密武器，圍繞內核設計的組件才是最重要的，例如與主機處理器之間的接口?！盡arena補充道，“如何與另一端的閃存進行交互可能是真正的差異化優勢所在?！睂群颂峁┙o開源社區可以吸引其他開發者作出貢獻，從而完善設計。

與此同時，臺灣公司Andes也推出了幾款RISC-V處理器，現在已經有一些客戶采用了其處理器方案。

除了SK Telecom和Renesas，專注開發5G基站芯片的初創公司EdgeQ也將使用Andes核心RISC-V許可及定制擴展，以提供集成人工智能的可編程開放式5G平臺。Andes定制擴展允許EdgeQ公司設計、擴展和定制自己的指令集，以實現當前無線基礎架構無法滿足的性能、功能和功率特性?！皩ξ覀兌?，RISC-V是用于硬件接口或描述的開源ISA，而非開源內核，”Andes總裁Frankwell Lin說，“在RISC-V陣營中，所有公司都是競爭對手。針對RISC-V標準，我們是彼此合作的關系；但在日常業務中，我們不得不相互競爭?！?/p>

CPU內核選擇

英偉達和西部數據等公司都采用自己的RISC-V內核設計芯片，有些公司則使用授權的可配置內核。處理器設計人員在設計商業芯片時，可以從SiFive等公司購買各種授權的RISC-V內核，SiFive之于RISC-V類似Red Hat之于Linux。這是SiFive公司業務的重要組成部分，除此之外，SiFive也向工程師提供服務，幫助他們設計的處理器制造成芯片。

圖：SiFive的E31內核針對物聯網、存儲和工業應用。

AI芯片制造商Esperanto Technologies總裁兼首席執行官Art Swift表示，越來越多的設計師在追求不同商業模式的過程中轉向采用RISC-V。不像現有的MCU都是采用同樣的內核，RISC-V可讓MCU設計廠商有更多的內核選擇機會?！蹦壳疤峁┥虡IRISC-V內核的廠商至少有七家。

Swift說，現在的專有ISA是由某個供應商管理，客戶只能使用一個專有ISA，因而處理器設計無法滿足特定的行業需求，除非獲得昂貴的架構許可來定制內核。而且，現在也不能再轉賣內核了，因此很少有公司能夠像蘋果那樣負擔得起這么高的投資。但RISC-V的架構許可是免費的，用戶可以設計自己的內核，也可以選擇開源內核。正如Swift指出的那樣，擁有眾多的內核選擇對于面向未來的設計至關重要。

最早采用RISC-V的Esperanto已經在單個芯片中封裝了1000多個低功耗RISC-V內核，以加速其數據中心的AI處理。

下一輪計算革命？

硬件社區再現了二十年前Linux的發展過程，初創公司基于RISC-V開放標準來設計處理器，風投則仔細審查這些芯片新貴。像英偉達和西部數據這樣的大公司也開始大量采用RISC-V。

RISC-V最初只是一個研究項目，經過不斷發展，現在已成為處理器設計的開放標準。正如Swift所指出的那樣，RISC-V不同于過去指令集之間的派別之爭，而是表示創新能力和選擇自由。

隨著RISC-V的迅速發展，圍繞RISC-V處理器設計的基礎設施和軟件生態也匯集在一起。RISC-V開放標準健康而充滿活力，它代表了開源硬件的未來，很可能引領下一次計算革命。
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