首次實(shí)現(xiàn)RISC-V+Android 12的AI支持！玄鐵CPU背后的國(guó)產(chǎn)RISC-V力量

吳新

在以RISC-V為核心的半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)企業(yè)正彰顯著自己的力量。

隨著安卓系統(tǒng)的迭代更新，安卓12.0版本引入了Bazel新架構(gòu)、Rust新語(yǔ)言和Studio新功能，其Art和Bionic模塊也實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)層面的進(jìn)化。這給RISC-V兼容安卓系統(tǒng)提出了全新挑戰(zhàn)。

基于此，平頭哥對(duì)安卓12.0進(jìn)行了系統(tǒng)性的RISC-V優(yōu)化支持，并通過Android Studio在 RISC-V 架構(gòu)上成功運(yùn)行Tensor Flow Lite模型，開啟了RISC-V在安卓平臺(tái)上對(duì)人工智能的支持。

而針對(duì)RISC-V第三方組件開發(fā)面臨的支持缺乏、系統(tǒng)不兼容及認(rèn)證水平低等問題，平頭哥首次在安卓12.0版本上集成并驗(yàn)證了RISC-V架構(gòu)的音頻播放、視頻播放、WiFi和相機(jī)等關(guān)鍵功能：這證明了RISC-V兼容最新版本安卓12.0的可行性，也將極大降低RISC-V廠商開發(fā)和集成相關(guān)組件的門檻。

“此次我們將RISC-V對(duì)安卓的支持?jǐn)U展到核心工具集、第三方庫(kù)和 SoC 板級(jí)支持包（BSP）上，首次將它們都集成到系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)，將RISC-V與安卓的融合再往前推進(jìn)一步。這些架構(gòu)支持若被接收為安卓官方的ABI接口，將是下一個(gè)里程碑?！逼筋^哥技術(shù)專家毛晗介紹說。

除此之外，全球權(quán)威AI基準(zhǔn)測(cè)試MLPerf在4月7日發(fā)布最新榜單，在聚焦低功耗、高能效的IoT領(lǐng)域Tiny v0.7榜單中，基于平頭哥玄鐵RISC-V C906處理器的軟硬件聯(lián)合優(yōu)化方案，取得了全部4個(gè)指標(biāo)的第一，并且達(dá)到了其他競(jìng)品同類最優(yōu)性能的10倍以上。這也意味著，玄鐵RISC-V C906處理器成為了目前最高能效比的AIoT計(jì)算內(nèi)核。

MLPerf Tiny是目前全球IoT領(lǐng)域?qū)浻布阅芎蛢?yōu)化能力測(cè)試的權(quán)威AI榜單，包含視覺喚醒、圖像分類、語(yǔ)音喚醒及異常監(jiān)測(cè)等4個(gè)典型AI任務(wù)。今年，參與比拼的CPU覆蓋ARM、RISC-V及自研架構(gòu)等。

此次Tiny v0.7榜單中，在不使用加速器的情況下，阿里基于平頭哥玄鐵RISC-V C906處理器提交的軟硬件性能優(yōu)化結(jié)果，在滿足精度要求的同時(shí)，刷新了全部4個(gè)benchmark指標(biāo)的紀(jì)錄，創(chuàng)造了RISC-V架構(gòu)在AI基準(zhǔn)測(cè)試上的最好成績(jī)。

依靠阿里在算法、編譯、硬件的軟硬一體創(chuàng)新，平頭哥玄鐵RISC-V處理器實(shí)現(xiàn)了AIoT領(lǐng)域的性能優(yōu)化。算法層面，阿里云震旦異構(gòu)加速平臺(tái)利用架構(gòu)感知的模型優(yōu)化工具SinianML，通過壓縮、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搜索、蒸餾、彈性伸縮等優(yōu)化，使得AI推理實(shí)現(xiàn)了計(jì)算效率的大幅提升。同時(shí)，結(jié)合達(dá)摩院在語(yǔ)音和視覺AI算法方面的領(lǐng)域知識(shí)，在具體任務(wù)上通過算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)加速。

長(zhǎng)期以來(lái)圍繞芯片架構(gòu)、安全性和性能改進(jìn)的 IP 設(shè)計(jì)一直是半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的關(guān)鍵。英特爾憑借其 X86 指令集一直主導(dǎo)著計(jì)算市場(chǎng)的 CPU 系統(tǒng)架構(gòu)，而 ARM 憑借其芯片架構(gòu)改變了智能手機(jī)市場(chǎng)。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) Counterpoint 的分析師 William Li 表示，隨著個(gè)人電腦和智能手機(jī)市場(chǎng)接近飽和，“全球半導(dǎo)體 IP 市場(chǎng)正接近拐點(diǎn)。”新的應(yīng)用市場(chǎng)逐漸成長(zhǎng)起來(lái)，如 AI 智能設(shè)備、5G 通信、高性能計(jì)算、自動(dòng)駕駛汽車等將推動(dòng) IC 設(shè)計(jì)和 IP 許可行業(yè)的產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)了價(jià)值增長(zhǎng)。

據(jù)Counterpoint最新的報(bào)告，到 2025 年，全球半導(dǎo)體 IP 市場(chǎng)規(guī)模將以年均 11%的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)至 86 億美元。該市場(chǎng)目前由 ARM、Synopsys、Cadence 和 CEVA 等公司主導(dǎo)。ARM 擁有超過三分之一的市場(chǎng)份額，這得益于其在移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域的極高市場(chǎng)份額。

圖片來(lái)源：Counterpoint半導(dǎo)體IP報(bào)告

與此同時(shí)，RISC-V 的崛起不容忽視。由于 RISC-V 的開源優(yōu)勢(shì)、更好的功耗性能、可靠的安全功能等，其成為業(yè)界新星。

William Li 認(rèn)為：“RISC-V 處理器將繼續(xù)在多個(gè)類別中獲得采用。但我們相信，短期內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)仍然是最關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。到 2025 年，其采用率可能超過 25%，主要是由于其卓越的靈活性、可擴(kuò)展性和功耗優(yōu)化。其他 RISC-V 可能被采用的領(lǐng)域包括：工業(yè)電子、汽車和 HPC（高性能計(jì)算）?！?/p>

全球經(jīng)濟(jì)不確定性和國(guó)際局勢(shì)復(fù)雜化影響下，RISC-V 等技術(shù)正在變得越來(lái)越重要。超過 70% 的 RISC-V 主要成員來(lái)自中國(guó)，這些成員的努力將加強(qiáng)中國(guó)的 IP 庫(kù)和 IC 設(shè)計(jì)能力，重塑供應(yīng)鏈，并擴(kuò)張 RISC-V 的影響力。

信息安全是近幾年來(lái)一直在強(qiáng)調(diào)的話題。RISC-V給中國(guó)處理器IP帶來(lái)“自主可控”的發(fā)展契機(jī)。我國(guó)從政府政策到學(xué)術(shù)研究到產(chǎn)業(yè)落地多方面協(xié)同推動(dòng)RISC-V架構(gòu)在中國(guó)加速發(fā)展。

RISC-V并非首個(gè)嘗試開源的ISA，但卻是首個(gè)產(chǎn)生如此影響力的開源指令集架構(gòu)。

伴隨著RISC-V生態(tài)的發(fā)展，給國(guó)內(nèi)RISC-V新生派企業(yè)更多信心。由于RISC-V基金會(huì)注冊(cè)地從美國(guó)遷往中立國(guó)家瑞士，為規(guī)避潛在貿(mào)易限制風(fēng)險(xiǎn)打下了一定基礎(chǔ)。當(dāng)下常用開源許可證，如BSD、MIT、GPL等都是圍繞代碼的版權(quán)說明、修改后是否可以閉源等問題展開的。換言之，當(dāng)下常用的開源許可證保護(hù)的是知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

中科院計(jì)算所、華為公司、阿里巴巴集團(tuán)等在內(nèi)的20多個(gè)國(guó)內(nèi)企事業(yè)單位，都加入了RISC-V基金會(huì)。伯克利、清華兩所高校還在深圳成立了RIOS實(shí)驗(yàn)室，以扶持RISC-V軟件生態(tài)。早在2018年7月，上海經(jīng)信委就出臺(tái)了國(guó)內(nèi)首個(gè)支持RISC-V的政策。

SiFive首席執(zhí)行官Naveed Sherwani在接受《EE Times》訪問時(shí)表示，中國(guó)目前已有大約300家公司都在關(guān)注或以RISC-V進(jìn)行開發(fā)。而發(fā)展至今，已經(jīng)有不少企業(yè)基于RISC-V構(gòu)建了開源芯片關(guān)鍵技術(shù)，推出了相關(guān)產(chǎn)品，比如平頭哥半導(dǎo)體推出的基于RISC-V架構(gòu)的玄鐵系列。

RISC-V正在成為芯片世界中的Linux

芯片是信息技術(shù)的引擎，推動(dòng)著人類社會(huì)的數(shù)字化、信息化與智能化。隨著摩爾定律瀕臨終結(jié)，維持芯片技術(shù)創(chuàng)新面臨挑戰(zhàn)。開源芯片設(shè)計(jì)將是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的新思路。

“開源”（開放源代碼）是一種開發(fā)模式和商業(yè)模式，以Linux為代表的開源軟件已經(jīng)成為當(dāng)前軟件產(chǎn)業(yè)的主流。而RISC-V開源指令集可以理解為與開源軟件相對(duì)應(yīng)的一種開源硬件。開源芯片設(shè)計(jì)可以將芯片設(shè)計(jì)門檻大大降低，甚至3-5人的小團(tuán)隊(duì)在3-4個(gè)月內(nèi)，只需幾萬(wàn)元就可以研制出一款有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的芯片。

對(duì)此，倪光南曾表示，“未來(lái)RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一?！边@與其本身開放、簡(jiǎn)約的特點(diǎn)有關(guān)。在設(shè)計(jì)方面，免除授權(quán)費(fèi)用和知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的完全開源免費(fèi)，是RISC-V存在的主要意義。RISC-V指令集在最初設(shè)計(jì)時(shí)，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)就明確表示要追求簡(jiǎn)約，丟棄歷史包袱。目前成型的技術(shù)代碼集小、支持模塊化、性能優(yōu)越，能滿足從微控制器到超級(jí)計(jì)算機(jī)等各種復(fù)雜程度的處理器需求，支持FPGA、ASIC乃至未來(lái)器件等多種實(shí)現(xiàn)方式。

微架構(gòu)或者叫微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，指的是集成電路層面的架構(gòu)。簡(jiǎn)單來(lái)說就是在確定了指令集和相關(guān)的CPU核心之后根據(jù)微架構(gòu)完善為CPU的設(shè)計(jì)，經(jīng)過流片、封裝等步驟，最后推出的就是具體的CPU產(chǎn)品了。

RISC-V是開源的，其指令集是免費(fèi)的。但基于免費(fèi)的指令集進(jìn)一步開發(fā)的微架構(gòu)是可以收費(fèi)的。

x86適合處理大量數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)PC與服務(wù)器領(lǐng)域處于霸主地位;手機(jī)需要快速處理數(shù)據(jù)，ARM架構(gòu)在手機(jī)處理器IP領(lǐng)域一統(tǒng)江湖。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，RISC-V作為新興架構(gòu)，以其精簡(jiǎn)的體量，在未來(lái)的IoT領(lǐng)域中有一定的優(yōu)勢(shì)。RISC-V搶奪的是新興定制芯片市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，難以撼動(dòng)成熟市場(chǎng)現(xiàn)有格局，例如手機(jī)處理器市場(chǎng)。RISC-V是當(dāng)前“游戲”局限性的補(bǔ)充者，而不是新加入的競(jìng)爭(zhēng)者，例如它為需求創(chuàng)新或定制的物聯(lián)網(wǎng)提供了一個(gè)替代機(jī)會(huì)。而RISC-V架構(gòu)憑借開源和開放等優(yōu)點(diǎn)，且高速適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)碎片化市場(chǎng)，有望成為中國(guó)AIoT領(lǐng)域自主可控處理器架構(gòu)的最佳選擇之一。