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RISC-V前進AIoT 商用生態系成形
晶心、智原與SiFive前線直擊RISC-V開發要點

【作者: 吳雅婷】   2020年05月05日 星期二

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開源指令集架構RISC-V在物聯網時代獨闢蹊徑,集結產學界軟硬體研發資源,刺激更快速上市、更彈性且更高效能的處理器開發,如今可供商用的生態系逐步成形。對此,RISC-V開發前鋒晶心、智原與SiFive將更深入探討相關發展契機與挑戰。


物聯網時代來臨,處理器開發商正面臨著牽涉多方技術考量的設計難題,如何在上市時間、開發彈性與性能表現之間達到獲取商機的平衡點,成為市場領導地位存亡的關鍵。


因此,除了持續升級既有硬體架構與擴充軟體開發資源,開創全新的處理器開發環境與商業模式,漸漸成為炙手可熱的可行解決方案。2010年由柏克萊加州大學(UC Berkeley)著手研發的RISC-V,便以其開放性和設計彈性帶動了一連串熱烈討論。


藉由開放原始碼與採用精簡指令集(reduced instruction set computing;RISC),RISC-V在後摩爾時代獨闢蹊徑,以創新的處理器設計環境與商業模式作為誘因,成功集結了產學界的軟硬體研發資源,大力推動新一代處理器的開發。


RISC-V在研發初期便由微軟和Intel資助,後來還成立了非營利的RISC-V基金會,進一步整合全球的跨界開發資源。其創立會員不乏Google、高通、NVIDIA、AMD、Microchip等科技巨擘,且全球會員總數迅速成長,至2020年第一季已逾530位。其中,2019年的年成長率便高達60%,成為近期格外熱門的討論焦點。


其他看好RISC-V的產業支持者,如Western Digital希望藉由這個全新的指令集架構,將記憶體從以運算為主的系統架構分割出來;Microchip則已開發出RISC-V微處理器子系統;三星也已將RISC-V應用在Exynos和Isocell處理器晶片,並預期能擴展應用至人工智慧和安控晶片。


此外,市調機構Semico樂觀預測,2025年全球市場將有超過624億顆採用RISC-V的處理器核心。該機構更指出,工業應用將成為主要成長因素,使用量預計將高達167億顆;成長速率最快的則是通訊應用,主要驅動力為5G商用後的相關產品開發。



圖一 : 根據市調機構Semico的預測,2025年全球市場將有超過624億顆採用RISC-V的處理器核心。(source:Semico)
圖一 : 根據市調機構Semico的預測,2025年全球市場將有超過624億顆採用RISC-V的處理器核心。(source:Semico)

針對這波RISC-V商機,市調機構Tractica預估,RISC-V全球市場營收至2025年將高達11億美元,營收來源包括採用RISC-V架構之IP、軟體和開發工具,且亞太地區獲利將佔據半數。


由此可見,RISC-V不僅成功跨出實驗室,更在產業道路上加速前進,其生態系在商用開發上仍持續擴張,讓人不禁期待,這股動能會持續多久?又會對市場發展產生什麼影響?


因此,本文邀請了台灣與美國兩地的RISC-V處理器開發先鋒,包括晶心科技、智原科技以及SiFive,他們將現身說法RISC-V處理器市場的關鍵趨勢與開發重點。


晶心催生最佳化設計 佈建RISC-V客製化指令開發工具

「RISC-V用減法完成設計,更有機會滲透至新興應用,善用客製化延伸指令就能實現最佳化設計。」—晶心科技總經理林志明

深耕CPU設計與IP開發的晶心科技,為RISC-V基金會創始白金會員,至今已推出11款RISC-V處理器核心。今(2020)年初在慶賀成立15周年之餘,更宣布採用晶心IP之核心全球累積總量立下了50億顆的里程碑。且就2019年的SoC年出貨量便創下15億顆的最高紀錄,年成長率高達50%。


晶心科技早先踏入RISC-V全球供應鏈,前景見好。晶心科技總經理林志明對此展現深入開發的決心與信心:「我們已經推出了支援RISC-V的處理器系列V5,該系列的銷售佔比更於2019年首度超越前一代處理器系列V3,顯現晶心將持續為5G、AI、AR/VR、雲端運算和IoT等新興應用提供最佳化的開發資源。」


晶心的V5系列提供開發人員齊全的32/64位元處理器選擇,從功能最精簡且高效率的Andes Core 25系列,到支援向量運算的Andes Core 27系列,甚至是具備超純量運算能力的Andes Core 45系列,皆為晶心提供迎接IoT時代的新一波成長動能。


林總經理指出,微軟與ARM分別佔據了高階與行動處理器高達95%的市場,但在雲端運算、大數據、區塊鏈、自駕車或無線設備等新興應用上,彈性與開放的RISC-V將更有機會滲透這些市場看好的領域。


晶心V5系列最主要的應用就是物聯網,尤其多被用來開發具備AI功能的嵌入式晶片,他們有超過50%的客戶投入該應用的設計工作。


為滿足AIoT產品的開發需求,晶心已先後推出支援數位訊號處理(DSP)與向量運算的RISC-V延伸指令,分別為P Extension和V Extension。前者能協助開發人員處設計多個指令同步執行;後者則適合用來開發智慧感測、語音處理、電腦視覺和生物辨識等IoT與AI應用。


此外,晶心更推出了業界首款RISC-V向量處理器NX27-V系列,展現其著力於高性能處理器的開發。晶心表示,RISC-V產品開發目標正從低成本走向高性能,他們也將聚焦在即時處理系統(realtime)、向量運算與平行處理(SIMD)的處理器開發,相關延伸產品還能支援單精度或雙精度的浮點運算。



圖二 : 晶心科技AndesCore V5系列支援RISC-V,並提供向量運算與DSP延伸指令,該系列更於2019年首度超越前一代處理器系列V3的銷售表現,客戶反應令人振奮。(source:Andes Technology)
圖二 : 晶心科技AndesCore V5系列支援RISC-V,並提供向量運算與DSP延伸指令,該系列更於2019年首度超越前一代處理器系列V3的銷售表現,客戶反應令人振奮。(source:Andes Technology)

針對採用RISC-V進行開發,林總經理剖析,RISC-V基金會開放給全球的是模組化指令集;這些模組不能隨意修改,且不是所有模組都開放免費使用。此外,開發CPU等高階產品也須遵守相關的開源軟體授權條款(Berkeley Software Distribution License;BSD)。


然而,他也指出,在這些模組具備相容性的前提下,RISC-V能讓開發商新增客製化指令,提供彈性來擴充功能與性能。因此,開發人員應多留意設計服務供應商提供的技術支援內容與收費標準,缺乏軟體與技術支援可能導致免費的最貴。


林志明強調,就採用RISC-V的成本、效能與易用性而言,產品表現要看廠商能否在客製化指令上發揮設計功力。


看準這項開發要點,晶心已先推出了客製化RISC-V開發工具Andes Custom Extension(ACE),能夠簡化複雜的運算,讓開發人員無需顧慮處理器的管線設計,並提供驗證邏輯性能的功能,進而縮短開發時程並增進設計效率。


其中,ACE內含之COPILOT為EDA等級的設計工具,能協助開發人員快速整合自定義指令與晶心提供的CPU IP,還會自動驗證指令集模擬器(ISS)與暫存器傳輸級(RTL)的邏輯相符性。


林志明表示,晶心提供完整且彈性的RISC-V設計工具與軟硬體資源。在晶片設計越趨複雜的時代,採用RISC-V是利用減法來設計硬體,它能同時顧及指令集相容性,以及開發效率和設計彈性,這也是他認為RISC-V能夠實現最佳化設計(optimal design)的原因。


智原助攻Edge AI晶片開發 推出RISC-V SoC開發平台

「RISC-V SoC平台提供彈性設計,並滿足性能評估與軟體開發需求,能夠加速切入市場。」—智原科技行銷經理蔡林彬

在ASIC和IP領域深耕近三十載的智原科技,也加入了這波RISC-V晶片設計潮流。他們提供物聯網系統單晶片(SoC)開發平台,特別著重於具備人工智慧功能的終端晶片(Edge AI)設計,以高度客製化滿足SoC開發過程中對感測、電源管理或介面連結的整體性能需求。


智原的SoCreative!平台便是為此推出的完整解決方案,該平台最新發佈的SoC驗證平台FIE3240,支援基於ARM Cortex-M與RISC-V的SoC開發,使得開發人員能夠提前進行硬體驗證與軟體開發,加速產品設計與效能評估。



圖三 : 智原科技最新發佈的SoC驗證平台FIE3240支援RISC-V處理器開發,並具備完整的軟硬體開發環境與設計流程(source:Faraday)
圖三 : 智原科技最新發佈的SoC驗證平台FIE3240支援RISC-V處理器開發,並具備完整的軟硬體開發環境與設計流程(source:Faraday)

此外,物聯網應用牽涉多元的周邊介面連接,針對相關軟硬體相容性需求,FIE3240支援PCIe互連、多電壓準位I/O(multiple voltage IO bank)以及其他擴充介面,例如USB3、Gigabit Ethernet、MIPI、GPHY和DDR功能。整合開發環境(IDE)則提供Keil MDK-ARM、IAR、Eclipse CDT和Green Hills MULTI開發工具;該平台還支援作業系統FreeRTOS和Keil RTX。


智原科技行銷經理蔡林彬表示,AIoT產品對於上市時間尤其敏感,智原的RISC-V開發平台提供評估、驗證與自行設計的多元功能,讓開發人員在IC設計出來前能夠提前進行驗證。目前已成功協助客戶在一年內開發出全球首顆具備AI功能的RISC-V SoC,採用該晶片的穿戴式終端產品已在市場銷售。


他強調,客製化晶片的需求各不相同,採用指令集架構的考量就不同。舉例來說,像是Western Digital、NVIDIA和高通等晶片大廠擁有足夠研發人力與財力,就有能力自行開發ISA,但新創科技公司的開發資源相對有限,後續系統開發與維護工作繁瑣且成本高,因此需要相關產業鏈提供專業支援。


以CPU架構而言,高階應用如雲端、伺服器和資料中心交由Intel把守,行動裝置與嵌入式系統則有ARM,而未來科技朝向萬物互聯發展,新興應用的市場需求正在催生全新的架構,引領下一波硬體設計革新。


RISC-V的開放性與彈性恰好推波助瀾,顯現了硬體設計的平等與自由。蔡林彬經理指出,採用RISC-V處理器進行開發時主要有三點考量:


一、產品競爭力與差異化


針對多核心CPU架構或特定資料流運算應用,例如AI或SSD,RISC-V具備的設計彈性就激發了更多的開發潛能,因此吸引了許多廠商投入。


二、IP取得與易用性


目前取得RISC-V的商業模式有三種:自行設計ISA與微架構、直接採用開源設計、尋求第三方RISC-V IP供應商。


三、開發資源與環境


系統公司或新創公司格外看重這點。在這方面,RISC-V設計服務供應商就能提供相對完整的服務,包括快速整合與驗證CPU、產品量產、擴展產品應用廣度、自有IP資源、客製化設計等。


蔡經理進一步指出,新創公司重視創新,諸如人工智慧或SSD等高速應用就需要客製化指令集,而客製化ISA的目的,就是性能最大化。在這方面,晶心或SiFive可滿足RISC-V的客製化需求,他們也可與客戶共同開發。


呼應上述三點考量,智原RISC-V SoC開發平台整合第三方ARM和RISC-V CPU,以及自行研發的IP,提供開發人員有力的設計資源與服務。目前,這些IP最主要用來設計具備人工智慧與邊緣運算功能的處理晶片,像是穿戴式裝置、感測器以及其他低功耗IoT產品。


此外,智原即將推出40奈米RISC-V SoC開發平台,將進一步縮短客戶產品開發時間,加快產品上市。


SiFive洞見智慧邊緣運算 開發RISC-V高階嵌入式晶片

由RISC-V開發團隊組成的美國矽智財新創公司SiFive,可說是RISC-V生態系最重要的成員之一。藉著該架構的開放性與彈性,他們相信RISC-V將成為發展特定應用開發(domain-specific)的理想架構,這項優勢正好滿足AIoT時代對多元應用的客製處理晶片需求。


SiFive秉持著加速創新與降低開發成本的信念,極力將開源架構與軟體自動化設計的影響力全面擴展至處理器供應鏈,至今已推出超過150個處理器IP,以及3個RISC-V處理器系列:32位元嵌入式處理器E系列、64位元嵌入式處理器S系列,以及64位元應用程式處理器U系列。


其中,處理核心E7、S7與U7同屬7 Series,鎖定AR/VR、5G和資料儲存的垂直產業應用,同時也是具備最高性能的RISC-V順序執行處理器IP,該系列以共通的高性能與功能相容性,將助力實現多核心的高階處理器開發。


關於未來IP開發走向,SiFive更透露,將推出64位元應用程式處理器U8系列,除了能以亂序執行,在單位面積效能方面也將提高1倍,功耗效率則提升至1.5倍。


結語

綜合這些RISC-V重點開發商的技術走向,不難發現,結合AI功能的邊緣運算處理器將成為RISC-V開發的主要應用,且該架構的資源與技術優勢將有助於引領這塊利基市場。


隨著RISC-V參與會員持續推廣與開發商用產品,將催促更完善的軟硬體資源部署。透過共享、共創的開發友善平台,RISC-V產業應用將強力擴展至雲端、行動裝置、HPC、機器學習、自駕車等。


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