華為開發下一代基于RISC-V的車載MCU

華為意大利研究中心與瑞士蘇黎世理工學院系統集成實驗室聯合發表了一篇論文《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》透露出華為或許正在開發下一代基于RISC-V的車載MCU，論文發表于2023年7月。目前，華為海思已有兩款基于RISC-V的芯片，分別是Hi3731v110和Hi3861，其中前者是一款全球模擬電視用芯片，后者就近似MCU。海思目前還在開發數據中心用RISC-V芯片，可能是AI加速器。

與華為同樣思路的還有瑞薩，瑞薩是全球第一大MCU廠家，也是RISC-V MCU投入力度最大的廠家。早在2021年，瑞薩就有RH850/U2B 汽車MCU采用RISC-V內核的DR1000CCPU IP，這款IP來自日本豐田關聯公司電裝旗下的NSITEXE公司（成立于2017年，最初是電裝的一個實驗室，后從電裝剝離）。

瑞薩RH850/U2B內部框架

圖片來源：Renesas

DR1000C內部框架圖

DR1000C主要是加入了矢量計算單元。圖片來源：NISTEXE

除了RH850/U2B，瑞薩還有眾多32/64 bit的基于RISC-V內核的MCU，包括非車載領域的RZ/Five系列（AX45MP@1.0GHz，附帶SIMD的FPU），語音HMI的R9A06G150，三相電機控制R9A02G020。

簡單介紹一下RISC-V。RISC-V中，RISC指的是精簡指令集架構。指令集架構（Instruction Set Architecture）是指一種類型CPU中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合。

指令集架構主要規定了指令格式、尋址訪存（尋址范圍、尋址模式、尋址粒度、訪存方式、地址對齊等）、數據類型、寄存器。

指令集通常包括三大類主要指令類型：運算指令、分支指令和訪存指令。此外，還包括架構相關指令、復雜操作指令和其他特殊用途指令。因此，一種CPU執行的指令集架構不僅決定了CPU所要求的能力，而且也決定了指令的格式和CPU的結構。X86架構和ARMv8架構就是指令集架構的范疇。指令集架構依其復雜性可被分類為復雜指令集架構（CISC，Complex Instruction Set Computer）和精簡指令集架構（RISC，ReducedInstruction Set Computer）兩大類。發展至今，CISC和RISC的界限已變得模糊，二者互吸收了各自的優點，變得你中有我，我中有你。

2010 年，RISC構思在加州大學伯克利分校啟動，是一個用于開發芯片處理器的免費、非專有平臺。RISC的發源也是在伯克利，但RISC不是開源的。

2015年，RISC-V基金會成立，旨在建立一個基于RISC-V ISA的開放、協作的軟硬件創新者社區。該基金會是一家由其成員控制的非營利公司，負責指導開發以推動 RISC-V ISA 的初步應用。

2020年3月，RISC-V基金會遷往瑞士，解決了受地緣政治干擾的風險。RISC-V是開源的，這意味著 RISC-V 是免許可和免版稅的。RISC-V允許用戶免費使用新指令擴展ISA并創新RISC-V處理器的微架構，而當前汽車業內主流的ARM架構，要求用戶支付版稅。這使得RISC-V迅速受到眾多廠商的歡迎。

當前主流的ARM 需要 IP 核許可批準，ARM的商品一是指令集，二是內核架構。不過ARM的內核架構自然要用ARM的指令集，買了ARM的內核架構自然就包含ARM指令集，或者也可以單獨設計物理架構，而只使用ARM的指令集，如蘋果一直以來都是如此。而高通、華為等則是直接買架構。

ARM指令集的費用為100萬美元到1000萬美元之間。此外，如果您想更改設計中的任何內容，將需要另外付費，當然可以花上千萬美元一次性買斷內核架構，這就不需要另外付費。另外每生產一塊芯片，ARM都要收取1-3%芯片價格的費用。ARM有大約60%的收入來自版稅，40%的收入來自IP授權。2023財年ARM的版稅收入只有16.8億美元，僅占芯片價值的1.7%。不過版稅的優點在于一次開發，一生收稅，舊芯片能帶來持續收入流。2023財年中，ARM約46%的版稅收入來自1990-2012年間發布的產品 。

RISC-V 是簡化ISA自下而上構建的，可以處理最新的計算工作負載。而RISC-V與擁有數十年歷史且背負著遺留的指令專有架構（X86和ARM）有很大不同。X86和ARM已經持續運行了超30年，為應對新應用，指令集變得越來越龐大，效率越來越低，ARM早已不是當年那個純粹的精簡指令。

最重要的是X86和ARM都是封閉的，廠家想要更改指令集完全不可能。在強調互聯互通的消費類電子領域，指令集由一家獨立公司完全掌控是優勢；但在汽車領域是缺點，汽車是嵌入式領域，不用考慮互聯互通，各品牌之間完全不兼容是正常的，比如特斯拉的自然不會兼容比亞迪的軟件系統。也就是說，整車廠要掌握指令集才能做出自己的特色和體系，而這一點ARM和X86永遠無法提供，而目前ARM幾乎壟斷汽車產業，這樣就造成了汽車芯片高度雷同，頭部廠家市場占有率極高。要打破這種現象，就必須使用RISC-V。

華為的研究工作剛開始，目前還是基于FPGA的研究。華為使用AMD旗下Xilinx的ZynqUltrascale+ FPGA，這款FPGA有4核ARM Cortex-A53，每核心有L1緩存32KiB，L2緩存1MiB，運行頻率1.2GHz，還有一個用于實時任務的ARM Cortex-R5F，RISC-V采用CVA6架構。這種設計可以對比RISC-V和ARM之間的性能差別。

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

軟件架構如上圖，非安全苛刻任務采用無人駕駛領域常見的ROS2，中間件采用DDS（數據分發服務），DDS負責管理分布式系統的數據和通信。DDS中間件協議基于對象管理組織（OMG）標準化的發布-訂閱模式。DDS已集成到各種關鍵的汽車平臺生態合作體系中，例如AUTOSAR Adaptive和ROS2。DDS提供低延遲數據連接、可靠性和可擴展的以數據為中心的通信。此外，DDS附帶了一組豐富的內置服務質量（QoS）策略，可控制DDS行為，如資源消耗和通信可靠性。面向資源極度受限環境的DDS通過使用OMG DDS-XRCE協議實現。這是客戶端到代理協議，意味著DDS-XRCE客戶端節點通過外部代理節點與DDS進行網絡通信。DDS-XRCE非常適合為物聯網設備開發輕量級DDS應用。實時操作系統采用企業版ERIKA，這是一款免專利的汽車OSEK/VDX認證的硬實時操作系統(RTOS)。官網鏈接：http://www.erika-enterprise.com。

ERIKA主要特性

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

CVA6MCU結構

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

CVA6架構

CVA6是一顆具備6級流水、單發射、順序執行的64bitRISC-V CPU，不僅實現了RV64IMAFDC（RV64GC）指令，也實現了RISC-V三種特權等級，因此具備運行Linux系統的能力。CVA6是蘇黎世理工學院與意大利博洛尼亞大學聯合的OPENHW機構維護的開源硬件IP。順便說一句，博洛尼亞大學是全球最古老的大學，成立于公元1088年，目前在意大利排名第五。

CVA6實現了RISC-V的三種特權模式，分別是機器模式（M-MachineMode）、監督模式（S-Supervisor Mode）、用戶模式（U-User Mode）；具備ITLB、DTLB、PTW實現虛擬地址到物理地址的快速翻譯；具備可靈活配置的4路組相連L1ICache與L1DCache。官方（即OPENHW）基于22nm-FDSOI流片，運行頻率可達1.7GHZ。

CVA6核心部分僅具有L1Cache，為了提高流水線效率，L1Cache又分為ICache、DCache。 L1ICache的默認配置是：

cache size：16Kib；

cache lines：128bit；

Associativity：Four-way set；

Replacement policies：使用LFSR進行隨機替換。

CVA6僅具有L1Cache，但結合Princeton開源的OpenPiton，可以拓展L2Cache。

CLINTCVA6、Cortex-R5和Cortex-A53的RTOS性能對比

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

上圖，RTOS下表現，RISC-V的CVA6全面勝出。

2023年8月，汽車行業四巨頭和挪威NORDIC半導體公司聯合投資建立一家致力于RISC-V的芯片公司，算是后知后覺者了。

圖片來源：《Towards a RISC-V Open Platform for Next-generation Automotive ECUs》

Zonal或者說SOA時代，對MCU的運算要求越來越高，同時還要應對苛刻的功能安全以及復雜的操作系統、中間件和虛擬機，ARM的CORTEX-R系列已明顯力不從心，RISC-V將是未來高性能汽車MCU的首選。