前英特尔副总裁方之熙:RISC-V 将会跟 X86、ARM 形成三足鼎立的格局

2021/12/20 14:08:13 来源:雷峰网 作者:吴优 责编:问舟

2021 第六届全球人工智能大会 (GAIR 2021) 近日于深圳正式召开。历经五年,见证数次潮水的转向,成为目前为止粤港澳大湾区人工智能领域规模最大、规格最高的学术、工业和投资领域跨界盛会。

GAIR 2021“集成电路高峰论坛: 国产高端芯片之路”,集聚来自学术界、产业 界和投资界的 15 位大咖,探讨了国产高端芯片的实力以及 RISC-V 带给中国芯片 的机会。

来自上海处理器技术创新中心顾问,前 Intel 副总裁,前 Intel 中国研究院院⻓方 之熙通过线上视频的方式带来了《开源指令集 ISA 能成为新一代成功的微处理机系统架构吗?》的主题分享,探讨 RISC-V 的商业成功问题。

在方之熙的分享中,提到在不远的将来,RISC-V 可能会跟 X86、ARM 形成三足鼎立的格局。他通过当前指令集架构的三种不同模式,阐明 RISC-V 开创的自由设计模式的创新性。

RISC-V 究竟有多大的市场空间?在可预测的市场中,可编程逻辑芯片在半导体产业链上下游中所占据利润和营业额最大,这意味着 RISC-V 的市场潜力巨大。

为此,方之熙给出一个标准:“从商业成功⻆度来看,如果某家以 RISC-V 为架构的芯片公司每年产值能达到 100 亿美金,那就是一家成功的公司。”

碍于 X86 和 ARM 已经分别占据绝大部分 PC 和移动市场,现阶段 RISC-V 发展最快的是 IoT 领域,工控领域的发展尤为明显。不过,RISC-V 也面临一些来自技术难题和商业挑战,方之熙博士的演讲中有更多信息。

以下是方之熙博士在 GAIR 2021 上的演讲内容,我们对其进行了不改变原意的编辑整理:

RISC-V 开创新的自由设计模式

RISC-V 于 2010 年在加州伯克利启动,国内开始关注到 RISC-V 是 2016 年左右,我从 2018 年开始担任 RISC-V 基金会中国委员会主席。RISC-V 基金会是非盈利组织,其理事会相当于董事会,是整个 RISC-V 的领导小组,目前有大约 1000 家公司加入了 RISC-V 基金会并与其建立了良好关系。

前Intel副总裁方之熙:RISC-V商业成功的标志是以RISC-V开源架构为主要产品的公司年产值达到100亿美金 | GAIR 2021

三国时期,曹操和孙权等谋士预见三国鼎立的格局,诸葛亮不光看到这一趋势,还指出了路线图,他告诉刘备先夺得荆州,再拿下四川,北上打下关中,又令一上将从荆州领兵北上,合力拿下长安,再攻取潼关,与曹操、孙权逐鹿中原,夺取天下。诸葛亮告诉刘备如何一步一步往前走,非常厉害。

开源 ISA 极具创新性,大家都认为在不远的将来,RISC-V 将会同 X86、ARM 形成三足鼎立的格局,那么 RISC-V 作为其中一方,想要其保持实力往前发展,就需要像诸葛亮一样看清路线图。

当我们要设计一款微处理器芯片时,需要先确定使用何种指令架构,然后再根据指令架构设计芯片和微处理器,最后流片生产。芯片设计有三种不同的模式:

封闭设计。Intel X86 系统架构是由自己公司引领的,其他公司如果需要使用其指令集设计微处理器,则需要拿到专利,不然不被允许使用。英特尔自己设计生产,从系统架构到芯片制造都在自己公司进行,属于完全封闭的设计。

专利设计。Arm 卖专利不卖芯片,此外,Arm 也提供微处理器的设计,其将 IP 卖给高通、苹果、华为等大公司,后者基于 ARM 指令集设计自己的芯片。还有一些小公司用 ARM 设计好的 IP 做自己的 SoC 生产或代工芯片。这是 ISA 靠专利赚钱的模式。

自由开放设计。开源的 RISC-V 属于第三种模式,任何人都可以使用这一套指令集。很多公司会基于 RISC-V 做好设计然后卖专利,SiFive 就是这样的模式。另外一些公司,如西部数据则是基于 RISC-V 开源指令集自研芯片,然后加工生产。

前Intel副总裁方之熙:RISC-V商业成功的标志是以RISC-V开源架构为主要产品的公司年产值达到100亿美金 | GAIR 2021

PC 时代盛行封闭设计模式,移动手机时代,专利模式当道。如今,RISC-V 开创了新的自由设计模式。

RISC-V 商业机会大,工控领域尤为明显

为什么我们对指令集架构如此感兴趣?可以从下面这张图中得到答案。

前Intel副总裁方之熙:RISC-V商业成功的标志是以RISC-V开源架构为主要产品的公司年产值达到100亿美金 | GAIR 2021

这是一张源自 McKinsey 公司 1996 年至 2014 年集成电路产业链黄金赛道统计图。从生产链来讲,最左边的设备材料公司,例如 ASML、LAM、KLA、ASM 等公司盈利稳定,但市场不大,相对而言营业额并不高。

第二行是包括 CAD、EDA 在内的软件设计公司,软件卖给芯片设计公司,能赚钱,但营业额同样上不去。

第三行是卖 IP 的公司,市场小,盈利稳定,但营业额不高。

中间最大的一块,是可编程逻辑芯片,比如 GPU、CPU、手机里的 AP、IoT 用的 MCU,利润最高,营业额最大。Memory 盈利的时候能够赚不少,但同样也面临较大的亏损风险。

最右边一行是台积电、中芯国际、三星等芯片代工厂,最近 7 年变化很大,如今的台积电营业额和利润都增长得特别快,但与通用芯片公司相比,其利润还是会低一些。这就是为什么我们重视包括 GPU、CPU、MCU 在内的芯片公司,这是因为它们在整个芯片产业中占据最大市场份额,同时盈利最高。

如果观察今年第一季度营业额排名全球前十五的半导体公司,可以发现,除了晶圆厂和存储器芯片公司之外,大部分都是可编程的通用芯片公司,这些公司的季度营业额都在 25 亿美金以上,由此可以估计一年的营业额约为 100 亿美金。

因此,从商业角度讲,如果将来以 RISC-V 为架构的芯片公司,如果年产值能够达到 100 亿美金,那将是非常成功的公司。

前Intel副总裁方之熙:RISC-V商业成功的标志是以RISC-V开源架构为主要产品的公司年产值达到100亿美金 | GAIR 2021

RISC-V 公司成功的产业领域在哪里?目前市面上有各种各样的预测,我认为这一预测比较靠谱:以 RISC-V 为系统架构的芯片产业将在 IoT 领域发展最大,尤其是在工控领域的发展最快。这和 RISC-V 的特点有关 —— 允许设计者增添自己的新设计,符合工控领域客户的要求。

当然,RISC-V 要想在工控领域拓展市场,还需要有优秀的通信技术和芯片加工工艺来加持,才能最终看见成效。

芯片产业有一个基本原则,量一定要大才有可能成功商业化。因此我们在设计芯片时,需要问自己,将来我们的芯片可以攻下哪个市场?

一般可以分为面向新应用场景的增量市场和用于替代其他产品的存量市场,两种市场带来不同的设计原则。X86 和 ARM 就是得益于增量市场,X86 跟随 PC 成长,ARM 跟随手机成长。PC 起步时,芯片种类繁多,有一两家公司看准方向,与系统软件公司结合,形成开发平台,随之应用程序和软件公司开发应用,形成生态系统。

生态系统一旦形成之后难以发生改变,对应用软件公司而言,平台移植成本非常高。

而在系统架构领域里,不同的细分市场一般只有一个龙头,很少有老二,Intel 与微软集成了开发平台,其他公司很难打进这一市场,不过由于美国的反垄断法,PC 领域除了 Intel,AMD 也取得了成功。手机领域,最终只有 ARM 结合安卓和苹果的 iOS 建立起强大的生态。

系统架构领域中,存量市场成功的例子很少,Intel 成功打进了原本基于 Spark 和 IBM Power 架构的服务器和数据中心市场是其中一例,Intel 花费了大量的人力、物力和财力,通过长时间的努力,才最终打进这一市场,且市占率在 10% 以上。

RISC-V 的技术问题和商业挑战

回到 RISC-V,目前我们面临一些技术问题和商业挑战。

3 年前,David Patterson 教授在乌镇世界物联网大会上曾提到过目前微处理器面对的一些技术问题:

功耗问题。无论是数据中心,还是智能手机和物联网市场,功耗问题都变得重要,所以现在的芯片设计很多都是针对降低功耗的,但没有一个能够降低功耗的系统架构,这是一个问题。

安全、可靠、隐私在现在的系统里愈发重要,这同样是系统架构考虑较少的方面。

新兴应用。比如物联网、人工智能、大数据、区块链等都对通用芯片提出了一些新要求,这些要求在现有的系统架构上突破性不多。

微处理器的设计非常依赖系统软件的兼容性,设计一款芯片一定要考虑过去的系统软件,不然很多应用程序就无法运行,有很大的局限性。

前Intel副总裁方之熙:RISC-V商业成功的标志是以RISC-V开源架构为主要产品的公司年产值达到100亿美金 | GAIR 2021

RISC-V 商业方面的挑战,需要考虑是要打入存量市场还是增量市场,除了指令集 ISA 之外,还有很多非指令 ISA 的元素,这些元素都需要在 RISC-V 架构上进行更好地定义,最终才能被市场接受。

RISC-V 是开源的,其他要素将来可能也要开源,但每个公司设计自己的芯片一定要有独到之处,否则没有实力与其他对手竞争,目前还没有很好的解决办法来既保持开源指令集的一致性,又让各个公司的设计技术表现其独特性。

RISC-V 不断成长,设计队伍越来越大,架构指令不断增长,有组织、可持续地做一个软件平台也是一种挑战,因为 RISC-V 本身灵活可变,不像 X86 和 ARM 一样基本固定。

以上这些都是技术问题引起的商业挑战,或商业本身的挑战。

RISC-V 开源,为指令集架构的商业模式带来新的可能性,至于这个商业模式最终会是什么样?目前还未有明确的答案,希望在座的各位共同努力,找到答案。

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关键词:芯片

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