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对抗ARM和X86,少不了中国市场这块“福地”,RISC-V还有哪些本事?
2023-05-08 来源:半导体产业纵横
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关键词: ARM RISC-V 芯片

此前,据RISC-V基金会发布的数据,2022年采用RISC-V芯片架构的处理器已出货100亿颗,其中一半来自中国。据其预测,到2025年RISC-V芯片出货量将突破800亿颗,增长速度远超原预计的600亿颗。


那么,RISC-V芯片为何具有如此强大的市场潜能,而未来发展又有哪些值得期待的增长翼?


出货量分析——市场生机

指令集作为软件与硬件之间沟通的“翻译官”,是芯片产业中不可或缺的基础部分。

目前主流的指令集可以分为两大阵营——以X86指令集为代表的复杂指令集(CISC)和以ARM指令集为代表的精简指令集(RISC)。

RISC-V指的是RISC系列指令集的第五代产品,和目前广泛应用的ARM架构“师出同门”,虽发展历史较短,但在架构精简性、运行效率、成本和灵活性上优势明显,且兼容性适应性高,因而受到产业界的要一致看好。



目前,RISC-V在中国市场的信心走高主要有以下几个因素:


(1)开源优势带来国产芯片新机遇

RISC-V起初为教学所用,后转为商用,完全开源一直是其显著的特色。与此同时,RISC-V采用BSD协议,允许用户自由地使用、修改源代码,可以自行选择是将修改后的代码作为开源使用还是专有软件来实现产品的差异化。这种开源但不闭流的规则,不仅为企业节省了一大笔基础成本,更为实现其产品丰富创新提供了有力支撑。

随着在中美贸易战愈演愈烈,国产芯片开始追求自主可控的芯片指令集架构。RISC-V的开源特质较之市面上主流的指令集,其自身并不易受政治立场所裹挟,因此,RISC-V成为近年来国内厂商纷纷跟投的安全领域。据统计数据,包括IP内核与芯片设计等主要内容在内,中国目前有300家以上公司在关注RISC-V或以RISC-V指令集进行开发。

从发展现状来看,近年来国产RISC-V商业化产品不断落地,平头哥、华米、兆易创新等企业已发布了可商用化产品。其中兆易创新和芯来科技更是开创了IP核供应商与设计企业联手先例。随着RISC-V终端应用市场不断发展,国内芯片厂商将拥有和欧美芯片公司同台竞争的资本,以及实现变道超车的可能。


(2)模块化定制满足产业应用需求

RISC-V模块化的特点意味着它可以像搭乐高积木一样拼接组合、自由扩展,这便为个性化定制提供了充分的空间,比如自行设计的加速器控制指令、缓存管理指令等。并且还能在硬件译码单元、软件编译器上进行修改和扩展,这使得RISC-V处理器非常适合用于设计领域专用处理器的控制器。

此外,RISC-V自身模块化的另一个优点是可以轻松实现指令集和微架构松耦合,使得微架构设计上的自由度更大。一个突出例子是RISC-V取消了像MIPS和SPARC等RISC架构上历史悠久等分支延迟槽设计,给具体的处理器实现留出更多的操作空间


趋势分析——加速推广

自诞生起,RISC-V就因其模块化的扩展设计和简洁统一的编码规则完美契合着物联网产业的多元碎片化的需求而被寄予着厚望。而从RISC-V的相关出货数据我们也可以窥知到物联网产业发展的图景。

从市场发展空间来看,根据统计,2020年全球RISC-V指令集市场规模约2.2亿美元,预计到2024年有望超过10亿美元。从RISC-V芯片终端应用市场来看,近年来全球物联网设备数量呈高速增长态势,年出货量超过100亿个,随着万物互联成全球未来主要发展方向之一,预计到 2025 年,全球物联网设备数量将达到 251 亿个,如果RISC-V芯片实现20%的市场渗透率,年出货量将超过50亿颗以上,而据机构预测,2025 年将会有 28% 的市场会被 RISC-V 所占有。

可以预见的未来里,RISC-V将迎来加速发展。而目前刺激其发展的主要因素有以下几点:


(1)Arm提价,价格杠杆刺激

近年来,软银陷入财务困境,其标志性的Vision基金遭受了严重亏损。作为软银继优步之后最大的投资之一,Arm将成为解决软银财务危机的重要支撑。

此外,随着软银的财务困境的持续,Arm也正在考虑IPO。Arm计划提高授权费用,以高额收入来吸引华尔街投资者。

同是RISC架构和嵌入式系统领域的主要参与者,Arm的提价或将成为刺激RISC-V加速推广的良机。




(2)赛道细分 ,开拓市场空间

在不断加速落地物联网中低端应用的同时,RISC-V在高端领域也迎来实质性的突破,在服务器领域中的占比有望不断提高。

此前,RISC-V芯片在高端服务器市场的应用基本上是一片空白。自2021年开始,随着以云计算、大数据和人工智能等为代表的技术快速发展以及 RISC-V架构生态的逐渐完善,越来越多的芯片厂商开始在服务器中采用RISC-V指令集架构,以提高芯片的性能、灵活性和可定制性。

截至目前,已有部分有技术研发实力的国外内大厂率先发布及量产了RISC-V指令集架构的服务器产品。具体来看,主要分为两大阵营:一是主要基于美国SiFive公司P550/ P650的IP核为基础的服务器产品,包括英特尔的HorseCreek、谷歌的Intelligence X280等;二是主要基于阿里平头哥玄铁内核系列的产品,主要包括算能科技的SG2042、阿里巴巴的含光800等。

正如高通产品总监Varma所言:“现在拥有一个通用的基本指令集架构,可以从低端微控制器一直扩展到高性能计算,以及介于两者之间的任何东西,它确实提高了整个行业的效率。”随着赛道的细分,RISC-V将走向更为开阔的市场局面。


(3)规范明确,规避碎片化风险

要知道,RISC-V的价值基于开源而展开,但开源CPU项目并不少见,但绝大多数都是昙花一现,其背后的致命缺点便是缺少一个强有力的非盈利组织在推动和维护。而RISC-V由非盈利的会员制组织RISC-V基金会推动。不论基金会的发展还是指令集标准的演进推广都由会员做主。RISC-V的未来不会受到任何单一公司的兴衰浮沉影响。


RISC-V的时代已经到来

RISC-V 不再只是嵌入式工具,在全球最大的半导体制造商、全球超大规模数据中心和消费设备公司的创新和采用的推动下,RISC-V 已经到来。

SiFive处于 RISC-V 的最前沿,可以看到有几个有趣的趋势继续推动整个行业的强劲增长。人工智能 (AI) 和机器学习正变得几乎无处不在,从数据中心到消费设备和企业,需要新的架构、数据卸载和管理以及低延迟,同时还要管理大量工作负载的功耗。

在汽车领域,自动驾驶汽车和电动汽车 (EV) 的快速增长以及汽车中从传感器到安全、动力传动系统和娱乐的芯片数量激增,也需要新的设计、灵活性和支持生态系统。在移动和可穿戴设备中,随着人工智能的发展,设备的功能及质量正在超越传统设备。在这里,与其他地方一样,占地面积、功耗和性能从未像现在这样重要。

所有这些趋势都有利于 RISC-V,因为它具有卓越的计算密度、灵活性、高性能和不断发展的生态系统。RISC-V 现在是不可避免的,在接下来的几年里,你会看到令人兴奋的进步,因为它从主要的嵌入式应用程序转移到最高性能芯片中的关键功能,初创公司进步为成熟公司。我们相信,随着 RISC-V 的不断发展,未来十年的情况将大不相同。它已经受到世界一流大学教授的支持,也受到美国、中国、印度和日本等国政府的鼓励,它们渴望帮助本国产业,也清楚地看到开放式架构的好处,以及他们产品的未来。



无论是Arm,还是RISC-V,其基础应用领域都是嵌入式系统。不过随着相关处理器性能的提升,以及应用的发展,它们在高性能计算领域开始展现出优势,例如,近些年,基于Arm架构的CPU在服务器和PC市场风生水起,并被以苹果、谷歌、亚马逊、阿里巴巴为代表的大型科技和互联网企业重视,相关产品也在蚕食传统x86架构CPU的市场份额。同理,RISC-V也有类似的机遇,其在以数据中心为代表的高性能计算市场体现出了更多价值。

从过去一年全球范围内的RISC-V技术演进事件来看,北美地区依然是RISC-V的创新高地,从处理器IP到软件、数据中心级应用都在全面探索;欧洲的不少老牌公司在逐步从原有架构转到RISC-V架构;亚洲地区也保持非常快的发展速度,Andes、StarFive、香山、芯来和平头哥等公司都在努力推动RISC-V处理器的发展。当前大部分芯片企业正在思考如何使用RISC-V架构来开发自家生态产品,很多基础软件公司也逐步进入到RISC-V生态中。

目前来看,RISC-V在数据中心的应用前景越来越明朗,因为数据中心的整体架构正在朝定制化和异构化的方向发展,具体表现是从单一处理器供应商转变为由多个供应商(包括系统公司自己的设计团队)提供的处理器和加速器的混合架构。

尽管宏观经济环境存在相当大的不确定性,但 2021 年至 2022 年的芯片短缺表明半导体行业已经成为地球上每个行业的一部分,从汽车制造商到消费电子公司再到政府的公司都在投资以确保其供应链能够承受未来的冲击。美国的《芯片法案》等政府投资将有助于提高制造能力,随着制造能力和原型能力的增强,新的创新将蓬勃发展。

以人工智能数据流处理器为例,这是一款支持 RISC-V 的芯片,用于超大规模数据中心,以卸载和管理关键人工智能数据。这种数据中心的新架构可以显著降低延迟和功耗。

总体而言,我们相信业界将更多地讨论计算密度,以及对高性能处理器的需求,这些处理器也可以在非常小的占地面积上构建并以低功耗运行。

今年将是 RISC-V 取得突破的一年。不少公司正在利用 RISC-V 架构及其经过验证的高性能和低功耗在可穿戴设备、汽车、航空航天等消费设备中的使用。去年,我们看到了有关采用 RISC-V 的高性能空间计算项目的公告,未来还有更多。RISC-V 不再只是一种嵌入式工具,它已经在全球最大的半导体制造商、全球超大规模数据中心和消费设备公司的创新和采用的推动下问世。


市场前景

市场前景分析短期来看,RISC-V内核有望率先在32位以上的MCU市场取得突破,预计2025年全球市场空间超过40亿美元,国内市场空间超过80亿元。MCU广泛应用于物联网、工业控制、汽车电子、消费电子等市场,全球市场规模超过200亿美元,国内市场规模超过300亿元。市场格局上,ARM内核在CPU IP核占据主要份额,海外巨头在芯片产品端基本垄断市场。MCU的市场特点与RISC-V的技术架构特点相契合,尤其在大量应用ARM IP核的32位以上MCU产品具有较强成本优势,存在替代机会。对于国内市场来说,叠加中国对半导体核心技术自主可控的强烈愿望,有望伴随着国内MCU产品的国产替代进程引领全球发展脚步。

中长期看,航天计算机、智能汽车、AI等领域将成为高端市场的突破口。在ARM多年的垄断和压迫下,RISC-V架构已经获得谷歌、高通、英特尔等巨头的关注和支持,目前安卓生态正在为RISC-V架构提供系统适配,RISC-V有望通过安卓生态进入消费电子市场,并替代部分ARM的份额。另一方面,行业龙头SiFive在智能驾驶、航天计算机领域实现突破,打开了高端处理器市场的大门。