RISC-V:中国芯,新选择

作者:张双虎

在地下停车场“游荡”了10多分钟,找到并扑进自己车里锁好车门后,小张才发现自己的后背已经洇湿了。

这是一个偏离城区的大型会议中心,因为和主办方临时谈点事儿,她来到停车场时,位于地下三层的停车场已经没了人影,连保安都不知躲哪去了。尽管相信这里安全,也坚信没有所谓的神鬼怪兽,但当她在高跟鞋“笃——”“笃——”的回响中左右逡巡时,恐惧、无助和无奈还是重创了她。

随着技术的进步,类似的窘境可能会被“终结”。近日,针对室内定位“痛点”,知路导航发布全球首款基于RISC-V开源架构的音频定位芯片(Kepler A100),将室内定位精度提升至0.4米。

解决室内定位“痛点”

“这个芯片主要为了解决室内定位难题。”芬兰科学与人文院院士、武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任陈锐志对《中国科学报》说,“比如商场、展览馆、高铁站、航站楼内部导航和定位问题。”

随着生活场景越来越复杂,高精度室内定位已经成为我们生活中导航的“痛点”。为解决此类问题,陈锐志团队在科技部“十三五”重点研发计划项目“高可用高精度室内智能混合定位与室内GIS技术”的基础上,经过技术开发和成果产业孵化,近日,面向全球发布Kepler A100,提供了室内高精度定位的中国方案。

该技术已突破消费级智能终端室内高精度定位“卡脖子”技术,具有自主可控、精准定位、容易布设、手机接入、无限并发、保护隐私等六大特性。不久前,在科技部项目指标第三方进行的测评中,音频定位系统的静态定位精度达到0.4米,移动目标的定位精度为0.58米。

“我们已在南京南站、杭州东站、白云机场进行测试和示范。”陈锐志说,“将来在地下停车场中,如果布置有这种芯片的定位发射器,再结合较详细的停车场位置图,就可以通过手机APP或微信小程序,精准地导航到我们的车旁。”

在南京南站落地的测试中,信号覆盖从地下停车场、站台到侯车厅全场景56万平米。将来在会展中心、高铁站、机场、医院、商场、学校等有室内定位需求的地方,都可以进行精准导航定位。

陈锐志介绍说,定位导航类芯片涉及较为敏感的地理信息,也是导航类APP、室内地图应用等产业生态的基础,为避免使用ARM架构出现“卡脖子”问题,团队选择了基于RISC-V架构开发芯片,在测试过光线、超宽带、蓝牙阵列等信号定位方式后,他们最终选择音频信号并成功开发出完全自主知识产权的基于RISC-V的音频定位芯片。

“RISC-V是个新的开源指令集,在此基础上开发芯片难度要大很多。”陈锐志说,“因为可用的芯片开发资源(如开源IP)相对较少,需要自己开发的部分很多,经过1年多努力,我们终于把这个能‘绿色发展’的芯片做了出来。”

RISC-V呼之欲出

RISC-V是一种开放的指令集规范,而指令集通常以文档、手册的形式发布。

2010年,加州大学伯克利分校两个研究团队准备启动一个新项目,需要选择一种处理器指令集。他们分析了ARM、MIPS、SPARC、X86等多个指令集后,发现它们不仅设计复杂,而且还存在知识产权问题,于是研究团队决定从零开始设计一套全新的指令集。

2011年5月,第一版RISC-V指令集(第五代精简指令集)发布。新指令集能满足从微控制器到超级计算机等各种尺寸的处理器,能高效地实现各种微结构,能支持大量的定制与加速功能,能和现有软件栈与编程语言很好的适配。还有最重要的一点就是要稳定——不会改变,不会消失。

“指令集是软件和硬件之间的接口,是一套标准规范,我们可以根据这套规范去设计处理器芯片和对应的软件系统,并最终形成产品。”中国科学院计算技术研究所副所长、中科院大学教授包云岗告诉《中国科学报》,“软件和硬件的关系恰如螺母和螺钉。把软件看做是螺母,硬件看做螺钉,那么指令集就是螺母和螺钉之间对接的尺寸规范。螺母和螺钉都按照相同的尺寸(也就是同一个规范)去设计,即使是由不同的厂商来生产,也可以保证最终所有的螺母都能拧到螺钉上。”

基于x86、ARM或RISC-V指令集,可以进行处理器微架构设计和实现形成源代码,并通过流片最终形成芯片产品。在芯片上游设计环节,中国有海思半导体、紫光展锐等,但目前还是过多依赖ARM构架,要设计出高端芯片,必须要拿到ARM芯片构架授权。在美国干预下,ARM一度停止对华为提供最新ARM构架。

目前,国际上围绕RISC-V的研究越来越多,国内也成立了RISC-V协会,一些企业也在基于RISC-V开发芯片。随着各大科技公司加码对芯片自研的投入,中国RISC-V呼之欲出,中国芯片产业或许会出现全新面貌。

RISC-V芯片未来可期

“芯片是信息技术的引擎,随着摩尔定律濒临终结,维持芯片技术创新面临挑战。”包云岗说,“开源芯片设计将是应对挑战的新思路之一。”

最近,匹兹堡大学 NSF 空间、高性能和弹性计算中心 (SHREC) 研究人员在在2021 年 IEEE 空间计算会议上展示了他们用于空间计算的 RISC-V 架构,并被授予空间计算研究最佳论文奖。

“RISC-V是开源的,且受益于协作开发。”该论文的第一作者、SHREC电气和计算机工程博士 Michael Cannizzaro 说,“RISC-V可用于各种空间系统——从导航、图像处理到通信和机器学习,在不久的将来,我们可以看到使用这项技术开发的所有新系统。”

基于RISC-V指令集规范,既可以由开源社区来开发开源免费版的处理器实现,也可以由商业公司开发收费授权版的处理器实现。国内目前基于RISC-V开发的芯片有平头哥玄铁910,芯来科技N200核,优矽科技WH(渭河)系列芯片。今年5月,华为海思也宣布新的自研芯片采用RISC-V架构,同时适配鸿蒙OS系统。

今年6月,首届RISC-V中国峰会在上海举行。会上,包云岗团队推出“香山”开源高性能RISC-V处理器核。它第一版架构代号“雁栖湖”,基于28纳米工艺流片。这标志着,在中科院计算所、鹏城实验室的技术支持下,国内发起的高性能RISC-V处理器开源项目正式诞生。

在RISC-V加速器和领域专用处理器领域,中科院计算技术研究所泛在计算团队开展了基于RISC-V核心的轻量级神经网络处理器的研究,探索了RISC-V核心在物联网设备中的应用,上海交通大学北斗导航与位置服务重点实验室则开展了基于RISC-V指令集的基带处理器扩展研究项目。

从“单点突破”到“遍地开花”,RISC-V处理器核心将打通国内芯片上下游企业,为国内芯片制造提供新的选择。

“只有RISC-V还不够。”包云岗说,“还需要开发基于RISC-V的开源工具链、开源IP、开源SoC等,才能形成完整的开源芯片生态,这需要更多支持开源芯片的力量参与并作出贡献。”