RISC-V:异构IoT时代全新架构.pdf
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1、 前沿报告库是中国新经济产业咨询报告共享平台。行业范围涵盖新一代信息技术、5 G、物联网、新能源、新材料、新消费、大健康、大数据、智能制造等新兴领域。为企事业单位、科研院所、投融资机构等提供研究和决策参考。 扫一扫免费获取海量报告 RISC-V:异构IoT时代全新架构 西南证券研究发展中心西南证券研究发展中心 电子行业研究团队电子行业研究团队 陈杭(陈杭(S1250519060004S1250519060004),曹辉),曹辉 20192019年年9 9月月 西南证券发展研究中心 陈杭、曹辉(15821937706) 2019年9月3日 国内外厂商介绍 RISC-V架构介绍 RISC-V简介
2、 CPU主流架构:x86、ARM、RISC-V RICS-V的设计理念及优势 RISC-V的历史沿革与市场应用 RISC-V目前存在的缺点和竞争对手 国内芯片自主可控的机会 RISC-V是一种指令集 RISC-V,一般被念做:risk five。V,即罗马数字5。该指令集是RISC系列指令集的第五代产品。 RISC-V是一种基于“精简指令集(RISC)”原则的开源指令集架构。 指令集:存储在CPU内部,引导CPU进行运算,并帮助CPU更高效运行,介于软件和底层硬件之间的一套程序指令合集。 PC电脑里的CPU(中央处理器) 数据来源:鲜枣课堂,西南证券整理 CPU指令集 西南电子 两大CPU指令
3、集:CISC与RISC CPU(中央处理器),也被称为微处理器,相当于电子产品的大脑。在通信领域当中,几乎所有的重要信息都要由这个“大脑”所掌控,CPU芯片和操作系统是网信领域最基础的核心技术。 CPU主要有两大指令集: 复杂指令集(Complex Intruction Set Computer,CISC)架构x86 精简指令集(Reduced Intruction Set Computer,RISC)架构ARM、MIPS和RISC-V CPU的架构一直以来是x86与ARM的天下,而自2010年RISC-V诞生以后 ,隐约在CPU架构呈现出三足鼎立的趋势。 数据来源:西南证券 诞生于1978年
4、 诞生于1985年 第五代诞生于2010年 x86 ARM CPU主流架构 西南电子 CPU主流架构:x86、ARM、RISC-V X86:传统PC市场的主流,善于处理大数据,IP掌握在英特尔和AMD手中 ARM:移动(手机)市场,处理快数据为主,目前也使用在便携笔记本中,IP大部分掌握在ARM公司。 RISC-V:当需要同时兼顾数据传输速度与传输量时,这两类主流架构的胜任能力有限。RISC-V表现出了较强的优势。 数据来源:西部数据,西南证券整理 多样数据种类与连接 RISC-V RISC-V的发展历程 1981年,在David Patterson的带领下,加州大学伯克利分校的一个研究团队起
5、草了RISC-1,是今天RISC架构的基础。随后在1983年发布了RISC-II原型芯片,1984年和1988年发布了RISC-III和RISC-IV。 RISC的设计理念也催生了一系列新架构,如MIPS、服务器的王者IBM PowerPC以及现在统治嵌入式市场的ARM。 2010年,加州大学伯克利分校的研究团队设计并推出了一套基于BSD协议许可的免费开放的指令集架构RISC-V,其原型芯片也于2013年1月成功流片。 RISC发展历程 数据来源:智东西, 西南证券整理 RISC-V设计理念大道至简,符合CPU处理需求发展 RISC-V最大的特性就在于“精简”。虽然与ARM同属于精简指令集架构
6、,但因RISC-V是近年来才推出,没有背负向后兼容的历史包袱,架构短小精悍。相比于x86和ARM动辄几百数千页,RISC-V的规范文档仅有145页,且“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。 以数据为中心的架构 数据来源:西部数据,西南证券整理 RISC-V的5大优势 数据来源:UCB Aspire Lab,西南证券整理 简洁简洁 稳定稳定 模块模块 化化 CleanClean- - slate slate 设计设计 可扩可扩 展性展性/ / 专业专业 化化 RISC-V的优势模块化与指令数目少 1、模块化:RISC-V将不同的部分以模块化的方式组织在一起,并试图通过一套统一的架构来满足各种不同的
7、应用场景,这种模块化是x86与ARM架构所不具备的。 2、指令数目少:受益于短小精悍的架构以及模块化的特性,RISC-V架构的指令数目非常的简洁。基本的RISC-V指令数目仅有40多条,加上其他的模块化扩展指令也总共只有几十条指令。 RISC-V的模块化指令集 数据来源:UCB Aspire Lab,西南证券整理 各指令集架构的代码密度比较(数据越小越好) 数据来源:手把手教你设计CPURISC-V处理器篇,西南证券整理 基本指令 指令数 描述 RV32I 47 32位地址空间与整数指令,支持32个通用整 数寄存器 RV32E 47 RV32I的子集,仅支持16个通用整数寄存器 RV64I 5
8、9 64位地址空间与整数指令及一部分32位的整数指令 RV128I 71 128位地址空间与整数指令及一部分32位的整数指令 基本指令 指令数 描述 M 8 整数乘法与除法指令 A 11 存储器原子(Atomic)操作指令和Load- Reserved/Store-Conditional 指令 F 26 单精度(32比特)浮点指令 D 26 双精度(64比特)浮点指令,必须支持F扩展指令 C 46 压缩指令,指令长度为16位 100% 140% 126% 136% 101% 173% 126% 0%50%100%150%200%RV32CRV32x86ARMv7-AThumb-2 MIPS32
9、 MIPS16e100% 141% 131% 129% 169% 0%50%100%150%200%RV64CRV64x86-64ARMv8MIPS6432位 64位 RISC-V的优势开源,彻底免费开放 3、RISC-V全面开源,且具有全套开源免费的编译器、开发工具和软件开发环境(IDE),其开源的特性允许任何用户自由修改、扩展,从而能满足量身定制的需求,大大降低指令集修改的门槛。 同类产品中,ARM需要支付高昂的IP费用才可使用,甚至需支付“预付款”才可看到细节。 三类架构对比 数据来源: 手把手教你设计CPURISC-V处理器篇 ,西南证券整理 x86 PC处理器 服务器市场 仅通过芯片
10、销售 ARM 手机/便携式笔记本处理器 移动(手机)市场 需要IP授权 RISC-V 灵活 模块化 开源免费,可商用 特性 x86或ARM架构 RISC-V 架构篇幅 数千页 少于三百页 模块化 不支持 支持模块化可配置的指令子集 可扩展性 不支持 支持可扩展定值指令 指令数目 指令数繁多,不同的 架构分支彼此不兼容 一套指令集支持所有架构。基本指令集仅40余条指令, 加上其他常用模块子集指令,总指令数也仅几十条。 易实现性 硬件实现的复杂度高 硬件设计与编译器实现非常简单 RISC基金会已有200余个机构参与 2015年,RISC-V 基金会正式成立,吸引了包括英伟达、NXP、三星、Micr
11、osemi在内等企业的加入。迄今为止,该基金会已吸引了全球28个国家327多家会员加入。 RISC-V基金会负责维护RSIC-V指令集标准手册与架构文档,每年RISC-V基金会都会举办各种专题讨论会和全球活动。 2015Q3-2019Q1 RISC-V基金会成员数量 数据来源:All About Circuits,西南证券整理 会员等级 RISC-V基金会内部已有较为完善的生态圈 数据来源:UCB Aspire Lab,西南证券整理 物联网时代已至,RISC-V大有可为 因为x86适合处理大量数据,在传统PC与服务器领域处于霸主地位, 在手机带来的科技革命趋势下,需要快速处理数据,ARM架构在
12、手机处理器IP领域一统江湖。 在半导体的历史上,X86、ARM作为主流架构一直都占有着很大的市场。随着物联网时代的来临,而RISC-V作为新兴架构,以其精简的体量,或许在未来的IoT领域中能取得绝对的优势。 不同架构与数据、应用扩展方式 数据来源:西部数据,西南证券整理 X86 传统PC&服 务器 ARM 移动(嵌入 式)市场 RISC-V RISC-V RISC-V的应用之一:IoT的“碎片化”需求,群雄逐鹿 因为IoT领域对AI芯片即要求高计算能力,又需要低延迟。 所以,IoT芯片设计速度要快、成本要低、能量身定制。 同时嵌入式市场具备少量多样的特点,在各细分应用场景并未形成真正壁垒,架构
13、的选择五花八门。 因此,这是RISC-V绝佳的突破口。RISC-V的开源能降低成本,也能让用户自由修改,可定制化,RISC-V生态与敏捷设计同源。目前,国内外已有多家芯片企业投入大量资金研发RISC-V在IoT领域的应用。 数据来源:红帽开源文化,西南证券整理 IoT领域结构 网关 设备 云平台 硬件Hardware 软件Software 要求: 高计算能力 &低延迟 芯片: 设计速度快 成本低 量身定制 RISC-V的应用之一:IoT的安全问题 未来的物联网大概会有300亿个设备被链接起来,那么物联网安全并不是奢侈品,而是必需品。而RISC-V的开源特性允许广泛的受众检查其体系结构,并在它们
14、成为大范围的安全事件之前纠正它们。 RISC-V可以通过提供“修复”核心而无需实际更改核心的机会来影响我们现有的网络犯罪流行。 全球物联网链接的设备数量预测 数据来源:Strategy Analytics,西南证券整理 RISC-V的应用之二:手机市场 根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测,两年之后RISC-V就会进军手机市场,与高通、苹果、三星、联发科等ARM公司抢智能手机处理器市场,同时有可能威胁低功耗笔记本处理器。 目前ARM公司的营收数据略有下滑,2017与2018年,ARM的设计IP市占率分别下滑1.6%及1.5%。因此,ARM也作出了相应的改善策略。201
15、9年7月,Arm 推出新的授权模式“Flexible Access”:对于中低阶芯片的授权,未来客户不再需要缴纳“预付款”才能看到设计细节. 2018年ARM IP营收市占率 数据来源:IPnest,西南证券整理 2017年ARM IP营收市占率 2016年ARM IP营收市占率 RISC-V的应用之三:服务器市场 虽然目前RISC-V的高性能市场一片空白,但RISC-V本身用来设计高性能芯片是没有问题的,学术界已经有基于RISC-V架构的511核处理器(Celerity)。只是基于RISC-V的低门槛特点,进入的企业体量较为小巧,没有足够的资金做长期布局与研发,高性能等需要较长研发时间的领域
16、尚无人尝试。 根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测,5年后RISC-V指令的处理器就有可能进军服务器市场,AMD、英特尔这样的x86处理器公司也许将要担心。 基于RISC-V架构的511核处理器(Celerity) 数据来源:半导体行业观察,西南证券整理 0204060801001201401601800%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%核心 边缘 端点 RISC-V的应用之四:存储市场 硬盘本身并不需要像SSD那样庞大的计算资源,但是由于新的磁记录技术,更复杂的功能(例如,基于NAND Flash的缓存,健康管理,QoS),它们的处理要
17、求也在增长增强等。这对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。 2017年,根据IDC和希捷的数据,2016年全球产生了16.1个ZB(ZetaBytes)数据,到2025年全球数据球体将增长一个数量级到163个ZB。并且需要实时处理和低延迟的数据量正在增长。 虽然数据可以就近传输到附近的服务器汇总进行处理,这需要更为强大的服务器,但服务器本身对处理快数据的效率不高,因此硬盘不仅存储数据,还需要处理它。 存储器中创建数据的位置 数据来源:Anand Tech,西南证券整理 全球数据空间的年规模 创 造 的 数 据 /ZetaBytes 2018年基于RISC-V的软件工具和IP全球营收5000万
18、美元,2025年将达到20倍 目前RISC-V被认为最适合应用在IoT市场。因为IoT市场的情况更为灵活,是一个“碎片化”的市场,客户需求相对多样化,目前尚无任一架构统一市场,而RISC-V具有低功耗、低成本、灵活可扩展及安全可靠的特性。 虽然RICS-V本身是开源免费的,但是用户对RICS-V的架构进行使用和修改后可以进行销售。根据Tractica的预测,基于RISC-V的IP和软件工具的全球收入将在2025年增加到11亿美元,高于2018年的5200万美元。 基于RISC-V的软件工具和IP全球营收预测(亿美元) 数据来源:Tractica,西南证券整理 02468101220182019
19、202020212022202320242025北美洲 欧洲 亚太地区 拉丁美洲 中东&非洲 RISC-V目前尚缺少生态系统 CPU 架构的影响力主要是依赖他生长的一整套生态系统,比如基于x86的Windows,基于ARM的Android。RISC-V现在最缺的是生态系统,特别是IoT碎片化的性质,没有一个统一的软件栈生态。 RISC-V基金会其实对此并不做任何定义,生态系统的搭建交予使用者来自行发挥。并且生态系统并非一蹴而就,根据RISC-V基金会亚太区副秘书长郭雄飞所言,唯有RISC-V MCU大规模量产,开发者真正随手可得,相应的软件生态才能大规模爆发。 三大架构与生态系统 数据来源:A
20、ll About Circuits,西南证券整理 MIPS或成RISC-V在AI芯片赛道上的最强竞争者 ARM、MIPS和RISC-V皆属于精简指令集(RISC)架构。 在智能手机时代,由于MIPS选择消费电子时,Arm选择了手机市场,即使ARM与MIPS的诞生时间相差些许,但更晚出现的Arm成为了智能手机时代的标签。 MIPS和RISC-V两者的架构也相差不大。因此,在2018年12月MIPS宣布开源之后,MIPS可能成为RISC-V在AI时代强有力的竞争者。并且基于MIPS指令集的芯片已经有100亿颗的出货,这意味着MIPS处理器在机顶盒、录音笔、智能手表等市场已经非常成熟。未来,政策、生
21、态、软件等方面的因素是两个指令集在AI时代竞赛的重要考量。 MIPS架构与MIPS公司的发展历程 数据来源:西部数据,西南证券整理 1984年 John Hennessy教 授创立MIPS Computer Systems Inc.。 1981年 美国斯坦福大学的John Hennessy教授发布了 第一款MIPS芯片。 1989年 MIPS Computer Systems Inc.上 市,专注于工作站 2018年6月 人工智能芯片初创企 业Wave Computing 收购MIPS。 2018年12月 Wave Computing宣 布MIPS架构即 将开源。 1991年 MIPS公司发布
22、 了世界上第一款 64位处理器 R4000。 1992年 Silicon Graphics Inc.(SGI)并购 了MIPS Computer Systems Inc.,成立MIPS技术公司 (MTI)。 1998年 从SGI中分拆后,MIPS Technologies Inc.再次上 市,其战略发生变化,重 点放在嵌入式系统。 MIPS “无内部互锁流水级的微处理器” (Microprocessor without interlocked piped stages) RISC-V是国内芯片自主可控一次弯道超车的机会 目前所有的通用x86架构处理器技术都掌握在英特尔和AMD公司手中,ARM则
23、也受到美国政策的限制。同时信息安全也是近几年来一直在强调的话题。在政府、海关、金融、铁路、民航、医疗、军警等重要部门,保障其通信安全尤为重要。 但RISC-V的开源特性,使得国内企业可以继续使用。同时因为其模块化的设计,可以直接应用模块,使用门槛不高。并且对于新时代IoT等趋势的驱动下,RISC-V对比其余架构存在较大的优势,国内企业提前布局,或可成为该行业巨头之一。自2018年开始,在国内的半导体技术圈里,已经掀起了一场关于RISCV的讨论热潮。 国内RISC-V AI及IoT芯片产业链部分重量级玩家 数据来源:芯潮,西南证券整理 公司 成立时间 RISC-V相关产品 阿里平头哥 (杭州中天
24、微和阿里达摩院合并) 2018年 支持物联网安全功能的RISC-V处理器CK902 台湾晶心科技 2005年 业界第一款包含RISC-V的64位IP核NX25 北京君正 2005年 正在开展基于RISC-V架构的CPU研发 美高森美 1995年 RV32IM RISC-V内核 华米科技 2014年 首款RISC-V架构的可穿戴设备黄山1号 中国RISC-V产业联盟构建RISC-V产业生态体系 9月20日上午,中国RISC-V产业联盟(China RISC-V Industry Consortium,CRVIC)成立大会在张江的上海集成电路行业协会会议室成功召开。吸引芯原控股、芯来科技、上海赛昉
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- RISC 异构 IoT 时代 全新 架构
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