趋势观察:第五代精简指令集RISC-Ⅴ架构芯片研究进展

趋势观察:第五代精简指令集RISC-Ⅴ架构芯片研究进展,第1张

中国网/中国发展门户网讯RISC-V,即第五代精简指令集,是一种基于精简指令集计算机(RISC)原理的开源指令集架构(ISA),由美国加州大学伯克利分校研究团队于 2010 年设计。相对于 X86 指令集的完全封闭及 ARM 指令集高昂的授权使用费,RISC-V 指令集通过支持自由开放的指令集体系架构及架构扩展以提供软件和硬件自由。RISC-V 的主要优点为完全开源、架构简单、易于移植、模块化设计,以及具有完整的工具链。

处理器芯片是中国半导体产业的软肋,是中国半导体产业面临的“卡脖子”问题。近年来,国内芯片领域学术界和产业界都在积极 探索 实践,力求突破。中国在芯片研发领域的 4 个技术关卡分别为光刻机、电子设计自动化(EDA)软件、晶圆和指令集。由此可见,开源 RISC-V 指令集架构对我国在芯片指令集方面技术破围意义重大。我国有望通过 RISC-V 摆脱国外的指令集垄断,打破技术封锁。

RISC-V 自诞生以来取得了突飞猛进的发展,随着物联网、5G 通信、人工智能等技术的兴起,物联网和嵌入式设备成为 RISC-V 最先落地的领域和最大的应用市场。各国研究机构及企业纷纷加入研究和开发行列,RISC-V 不仅打破了现有指令集架构环境下英国 ARM 公司和美国Intel公司的两强垄断格局,而且建立了一个开放的生态及框架来推动全球合作和创新。

主要国家战略举措及特点

美国强调 RISC-V 指令集在智能装备芯片领域的战略应用。2017 年 6 月,美国国防高级研究计划局(DARPA)启动“电子复兴计划”(Electronics Resurgence Initiative),该计划旨在解决半导体制程瓶颈以应对半导体产业快速发展的挑战。“电子复兴计划”连续多年对 RISC-V 指令集的研究和产业化应用给予专项支持。其中,实现更快速集成电路项目、Posh 开源硬件项目和电子资产的智能设计项目明确指明需要基于 RISC-V 指令集进行开发。2021 年 3 月,SciFive 公司与 DARPA 达成开放许可协议授权,SciFive 加入“DARPA 工具箱计划”(DARPA Toolbox Initiative)为 DARPA 项目参与者提供基于 RISC-V 的32 位和 64 位内核访问,以支持 DARPA 项目中应用程序和嵌入式应用的研发。

欧盟注重 RISC-V 与高性能计算的结合。2018 年 12 月,欧盟推出“欧洲处理器计划”(European Processor Initiative),拟开发面向欧洲市场的自主可控低功耗微处理器,降低欧洲超级计算行业对外国 科技 公司的依赖。其中,“欧洲处理器加速”(European Processor Accelerator)项目作为该计划的重要组成部分,其核心是采用免费和开源的 RISC-V 指令集架构,用于在欧洲境内开发和生产高性能芯片。2021 年 9 月,该项目的最新成果是交付了 143 个欧洲处理器加速芯片样本,这些加速芯片专为高性能计算(HPC)应用程序设计。此外,2021 年 1 月开始的 Euro HPC eProcessor 项目旨在基于 RISC-V 指令集体系架构构建一个完全开源的欧洲全堆栈生态系统以适用于 HPC 和嵌入式应用。

印度将 RISC-V 指令集定位为国家事实指令集。2011 年,印度开始实施处理器战略计划,每年资助 2—3 个处理器研究项目。该计划下的 SHAKTI 处理器项目旨在开发第一个印度本土的工业级处理器;其目标是研制 6 款基于 RISC-V 指令集的开源处理器核,其中涵盖了 32 位单核微控制器、64 核 64 位高性能处理器和安全处理器等。2016 年 1 月,印度电子信息技术部资助 4 500 万美元研制一款基于 RISC-V 指令集的 2 GHz 四核处理器。2017 年,印度政府表示将大力资助基于 RISC-V 的处理器项目,使 RISC-V 成为印度的国家事实指令集。2020 年 8 月,印度政府在全国发起“微处理器挑战”(Microprocessor Challenge)项目,以推动 RISC-V 微处理器的自主研发,提高国家的半导体设计和制造能力。

以色列、巴基斯坦、俄罗斯寻求多元化指令集架构共同发展。2017 年,以色列国家创新局成立 GenPro 工作组,旨在开发基于 RISC-V 的快速、高效且独立的处理平台。2019 年,巴基斯坦政府宣布将 RISC-V 列为国家级“首选架构”(preferred architecture)。2021 年,俄罗斯公布了一项以 RISC-V 部件为中心的国家数字化计划,该计划基于俄罗斯自研 Elbrus 芯片进行 RISC-V 部件扩展研究。

中国试图通过 RISC-V 打破芯片领域技术封锁。2021 年,在《中华人民共和国国民经济和 社会 发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》中,我国首次明确将“开源”列入五年发展规划;“十四五”期间,将支持数字技术开源社区等创新联合体发展,完善开源知识产权和法律体系,鼓励企业开放软件源代码、硬件设计和应用服务。同时,各级政府也积极布局 RISC-V 架构芯片。2018 年 7 月,上海市经济和信息化委员会发布的《上海市经济信息化委关于开展 2018 年度第二批上海市软件和集成电路产业发展专项资金(集成电路和电子信息制造领域)项目申报工作的通知》将 RISC-V 相关产业列入政府产业扶持对象,而从事 RISC-V 架构相关设计和开发的公司将获得政策倾斜。2020 年 2 月,广东省人民政府办公厅印发的《加快半导体及集成电路产业发展若干意见的通知》中明确将 RISC-V 芯片设计列入广东省重点发展方向。2021 年 11 月,北京市委市政府印发《北京市“十四五”时期国际 科技 创新中心建设规划》,明确指出要研发基于 RISC-V 的区块链专用加速芯片,进一步提高芯片集成度,提高大规模区块链算法性能。

我国 RISC-V 架构芯片领域的重要研究方向态势与热点

学术界和产业界日益重视 RISC-V 的安全体系结构设计及验证。处理器安全对设备隐私信息的保护至关重要;设计 RISC-V 安全处理器及安全验证是 RISC-V 领域乃至体系结构领域的研究热点。特权模式和物理内存保护是安全嵌入式处理器的必备特性,RISC-V 指令集架构也采用特权模式来保障处理器的安全;同时,该架构提供了物理内存保护单元(PMP)实现内存访问控制以保证内存安全。其中,北京信息 科技 大学和清华大学微电子学研究所焦芃源等以一款 32 位 RISC-V 安全处理器为研究对象,通过异常处理程序对处理器状态、异常信息进行观测,提出了一套 RISC-V 特权模式和物理内存保护功能的测试方案;天津大学微电子学院刘强等设计了一种抗功耗分析攻击的 RISC-V 处理器的实现方法;上海交通大学并行与分布式系统研究所开发了基于 RISC-V 架构的全新可信执行环境“蓬莱”。同时,产业界许多公司以扩展硬件 IP 模块的方式推出安全解决方案,包括加密库、信任根、安全库等。

深耕物联网等新兴领域,特定领域专用 RISC-V 芯片蓬勃发展。当前,X86 和 ARM 两大指令集分别主宰了服务器+个人电脑(PC)和嵌入式移动设备;同时,物联网(IoT)、智联网(AIoT)等应用领域正在为 RISC-V 的发展提供新的机遇。RISC-V 架构能为物联网行业带来显著的灵活性和成本优势,同时也能推动异构计算系统的快速发展,因而能够适应智能物联网时代下的大容量万亿设备互联,场景丰富及碎片化和多样化需求。RISC-V 在加速和专用处理器领域,主要应用包括航天器的宇航芯片设计,面向物联网的智能芯片,面向安全的芯片,用作服务器上的主板管理控制器,以及图形处理器(GPU)和硬盘内部的控制器等。学术界,如中国科学院计算技术研究所(以下简称“计算所”)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 内核在物联网设备中的应用;上海市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。而产业界则在控制领域与物联网领域涌现出大量的基于 RISC-V 的产品和应用案例。例如,阿里平头哥半导体有限公司的开源玄铁 RISC-V 系列处理器已应用于微控制器、工业控制、智能家电、智能电网、图像处理、人工智能、多媒体和 汽车 电子等领域。

寻求突破物联网生态, 探索 进入服务器、高性能处理器领域。目前,RISC-V 的研究及应用领域主要集中在以物联网为基础的工业控制、智能电网等多场景。但 RISC-V 因其本身低功耗、低成本特性,具备进入服务器、高性能领域的潜力。服务器定制化及 HPC 对加速和异构平台的需求增加,为 RISC-V 进入服务器和 HPC 领域提供了机会。计算所包云岗提出产业界可利用 AMD 公司的 Chiplet(小芯片)方式将中央处理器(CPU)、加速、输入/输出(I/O)放在不同晶圆上,其中 CPU 部分使用 RISC-V 架构,用 Chiplet 方式组成一个服务器芯片,以进入服务器市场。2021 年 6 月,计算所包云岗团队推出“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 nm 工艺流片。这标志着在计算所、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。

我国发展 RISC-Ⅴ 架构芯片的问题与建议

适当聚焦 RISC-V 架构,加快发展中国芯片产业体系。目前,国内处理器产业及科研领域所采用的指令集包罗万象,学术界和产业界基于 ARM、MIPS、PowerPC、SPARC、RISC-V、X86 等多种指令集进行了扩展。但多样化的指令集必然会分散基础软件开发力量,导致编译、 *** 作系统等基础软件开发者由于精力有限而无法兼顾多种指令集的优化,延缓自主生态的建设。近几年,随着 RISC-V 基金会从美国迁至瑞士,其治理架构发生重大变化,我国科研机构和企业在 RISC-V 基金会理事会高级别会员的比例显著提高。我国在 RISC-V 生态中的影响力日益增长,这为我国芯片产业的发展提供了新的机遇,以及开发新赛道的可能性。建议:我国在目前暂无成熟自主指令集架构的情况下,应抓住开源 RISC-V 架构兴起的机遇,调整芯片领域技术路线和产业政策,适当聚焦 RISC-V 架构,加快发展中国芯片产业体系。

促进 RISC-V 在处理器教育领域的应用,培育芯片设计人才。芯片领域的创新门槛高、投入大,严重阻碍了领域创新研究。芯片设计及制造的多个环节都需要巨额的资金与大量的人力投入。这种高门槛导致人才储备不足,因此如何能够降低芯片设计门槛成为亟待解决的问题。RISC-V 的开源性降低了创新投入门槛,发展开源芯片/硬件成为中国培育设计人才的新发展模式。2019 年 8 月,中国科学院大学启动了“一生一芯”计划,其目标是通过让本科生设计处理器芯片并完成流片,培养具有扎实理论与实践经验的处理器芯片设计人才。该计划是国内首次以流片为目标的教育计划,由 5 位 2016 级本科生主导完成一款 64 位 RISC-V 处理器 SoC 芯片设计并实现流片。事实上,学生是 RISC-V 整个生态建设中不可或缺的力量;包括上海 科技 大学在内的许多国内院校都在与企业一同培养人才,通过课程作业设计与企业研发相关联,将企业最新的技术及时引入课堂,充分发挥开源化的优势。建议:国家教育管理机构应当积极推进 RISC-V 产学相结合的发展模式,培育更多芯片设计人才。

(《中国科学院院刊》供稿)

学什么技术比较有前景?
学厨师挺不错的,西餐,西点,中餐,从事餐饮行业,好就业,待遇好,现在各大餐饮企业,酒店,西餐厅,西点相关餐饮企业紧缺这方面的人才,从事餐饮行业可持续性发展强,前景还是很好的。
而且学厨师 发展好,提升空间大。厨师长、行政总厨等都是目前紧缺的人才,也是学厨师一直努力的目标,是毕竟紧缺的职位,只有在餐饮界才会出现,厨师会是你不错的选择之一。
人总是要吃饭的,现在各个城市,酒店,酒楼,还是餐饮连锁企业都需要厨师这方面的人才,学会了厨师不用发愁没有工作,日后自己创业开店也不错的选择。

1、Web前端人才需求量大
据国内第三方数据统计,未来五年我国信息化人才总需求高达1500万-2000万人。其中“网络工程”“UI设计”“Web前端”等人才的缺口最为突出,所以2020年Web前端的市场需求很大。更有甚者目前不仅大型互联网公司相继成立了专属的Web前端部门,中小型公司和创业公司也急需专业的Web前端工程师。
2、Web前端薪资待遇高
前端开发行业薪资水平呈上涨趋势,Web前端开发早已不是做带动动画的下拉菜单的时代,他们已成为互联网的主宰者,各行业都用其开发互联网应用。
3、前端就业方向多
Web前端开发在软件开发中,就业门槛较低好就业,薪资待遇平均超过13k。在目前互联网只要公司有需要开发互联网产品,包括网站,网页h5,小程序,APP等等,就需要前端开发工程师岗位,具体的就业的方向还可以按公司的技术需求来区分,侧重点各有不同,就业行业随着互联网的发展,已经变得越来越广泛。
4、Web发展前景好
随着5G时代的到来,知否在移动互联网领域将会出现新的开发场景,包括自动驾驶,车联网,物联网,人工智能还有可穿戴设备等领域将带来大量的额前端开发需求,有需求就会有市场。
以上就是总结的Web前端今年的就业前景。可以看出,Web前端工作无法被替代,客户需求存在前景巨大。但IT行业只有不断的自我学习更新才不会被行业所淘汰。


华为芯片陷入断供危机,除了无法直接购买美国技术主导下的芯片成品外,包括涉及美国技术的代工也不被允许。在美国 科技 霸权的阴影下,芯片等高端产业仍然处于被卡脖子的状态。


美国通过对台积电、高通、ASML等芯片产业链上下游企业的限制,直接或间接断供了华为。


而在移动CPU和通讯技术领域高通正是多年来的霸主。



高通公司是全球3G、4G与5G技术研发的领先企业,目前已经向全球多家制造商提供技术使用授权,涉及了世界上所有电信设备和消费电子设备的品牌。在中国,高通开展业务已逾20年,与中国生态伙伴的合作已拓展至智能手机、集成电路、物联网、大数据、软件、 汽车 等众多行业。


高通的基础 科技 赋能了整个移动生态系统,每一台3G、4G和5G智能手机中都有其技术。


目前高通市值达1376美元,2019年营收达243亿美元。高通在通信技术、CPU架构与制程上,拥有领先全球的技术优势。在高通的技术壁垒下,就算是市值十倍于高通的苹果,也不得不向高通缴纳“高通税”。



1) 高通的芯片业务


高通3、4、5G手机芯片基本吃掉了手机芯片市场的大多半,无论是国内手机厂商,还是国外手机厂商,在手机芯片领域可选范围不多,除了高通只剩下三星、联发科,另外苹果华为的芯片虽然性能没的说,但只用于自用,不对外出售。


从性能与通信能力上看,高通芯片是最具优势的,导致手机大厂纷纷投向高通阵营。2019年,高通手机芯片全球市场占有率为三分之一,而2018年,高通手机芯片全球市场占有率甚至 接近一半



2) 高通的专利授权


从高通创立初期,逐步积累了从2G到如今5G大量移动通信专利标准中的技术。


在3G与4G核心专利中, 高通贡献专利均为全球第一 。更关键的是,高通在2、3、4G标准中贡献的专利都是最关键、最底层的部分,比如3G里的CDMA与4G里的OFDM。也就是说只要你的产品要接入234G网络,那么就绕不开高通的技术范围。





高通公司的创始人,艾文·雅各布,本身就是一位通信领域的顶尖专家,为前麻省理工学院博士,《通信工程基础》合著作者,实力非常强悍。


而高通的创立,是在雅各布52岁时的想法。1985年,雅各布从自己创立的Linkabit退休,本应开始享受自己的老年生活。然而高手总是耐不住寂寞,在休息三个月之后,雅各布和6位老同事,同为通信专家,达成一致,决定继续创业。




创立初期的高通,并没有成型的产品、商业模式、甚至资金也不充足。但是他们都擅长数字和无线通信,于是决定在这个领域干一番事业。


高通(Qualcomm)意味高质量通信(Quality Communications),就这样成立了。这样的选择,让他们成为了日后主宰通信领域的霸主。


高通的第一项事业,是卫星移动通信方案。在技术问题上,采用了冷战时期军方通信的技术——CDMA,这项大名鼎鼎的技术,日后称霸了2、3G多年。



当时的主流技术都集中在TDMA(时分多址)上面。但凭借对通信技术的深度理解,雅各布认为,起源于‘跳频’技术的CDMA可以提升网络容量40倍,大大降低网络成本。


但当时CDMA技术还不成熟,这意味着开发成本高,时间长,和TDMA没有可比性,在业界普遍不看好的情况下,老爷子还是选择主攻CDMA技术,投入了大量的人力、资金去研发和推广。


1989年,CDMA第一次演练。在当年的春季,高通还和旧金山太平洋电话公司达成了演示CDMA技术的协议,在约定期限的后期,高通的技术团队还在做最后调试。在他们的夜以继日攻关下,艾文·雅各布终于收到了工程师发送的“thumbs up”,正是这份协议让他们取得了百万美元的合约。1993年,高通向业界证明了CDMA能够提供TCP/IP协议服务,这让他成为了手机移动网络的早期推动者。


CDMA大获成功,它能够提供更好的通话质量,大幅降低运营成本。于是,运营商被打动,1993年,CDMA被美国电信工业协会采纳,定位行业标准。1995年,CDMA在香港商用,1996年登录韩国,开始席卷世界各地。


CDMA成为了高通壮大的基础技术。



CDMA技术得到证明之后,高通为了更好的推动业界发展,早期,高通就已经把CDMA技术授权给终端厂商,自己从中收取专利费,高通成了产业链金字塔最顶端的玩家之一。


1999年,国际电信联盟把CDMA选做3G基础技术。奠定了高通在今后3G通信的领导地位。


3G时代,WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA都基于CDMA技术开发,因为高通长期在CDMA技术上的研发,手握大量专利的标准制定权,3G时代,可以说是高通的时代。



早期的高通为了推广CDMA技术,自己也做手机业务和通信设备,为的就是能在硬件中嵌入CDMA技术。到了1999年,硬件业务已经占了高通60%的营收,但是雅各布做了一个决定,砍掉硬件业务。



这样做就是为了避免与其他硬件公司的竞争,从而更利于自己技术的推广。而高通则更加专注技术的研发、授权以及芯片业务。


所谓三流公司做产品,二流公司做品牌,一流公司做标准。高通的砍掉硬件产品的做法,让它更接近“一流”的公司。



凭借CDMA技术优势,高通将CDMA写入基带芯片里,整合基带功能的SOC处理器,高通成长为全球第一大IC设计公司。


SOC包括了CPU、GPU、ISP、调制调解器等多个核心部件。在高通在这些技术上都拥有系统性的优势。基带芯片是用于无线电传输和接收数据的数字芯片,是通讯设备的核心。没有基带芯片,手机就不能打电话,不能用移动数据上网。因此,每个移动通讯设备中都有一个基带芯片。强大的苹果A系列芯片,同样要使用到高通的基带芯片技术。因此,各大厂商的终端设备始终绕不开高通。


在2000年,高通在自己的 多媒体CDMA芯片和系统软件中集成GPS,也就是把GPS、互联网、MP3、蓝牙等主流功能集合在一起。随后,高通芯片处理能力也直线上升,同时还改善了电源管理。


到2007年,高通成为了世界领先的移动芯片供应商。



高通形成了以通信专利授权、手机基带芯片、手机芯片成品业务为基础的三大营收来源。


在过去30年中,高通在研发领域投入的资金超过440亿美元,其在全球申请和拥有的专利超过13万项。这些技术以蜂窝通信为中心,包括标准基本专利和非基本专利。其中标准基本专利是指对设备是至关重要的技术标准。




高通的专利收费模式,也是别具一格。


一般专利,是按照涉及专利使用部分来计算专利费的。但高通是按照整个产品总价值来算的,也就是屏幕、摄像头、存储芯片等与高通专利无关的配件,也被纳入了计算比例中,一般占4-5%。


比如一部手机售价100美元,那么大约要交给高通5美元专利费。


这也是高通被称为“流氓”的原因,但是又无可奈何,因为必要技术离不开高通。


而高通的手机芯片业务更是成为全球第一。大多数手机厂商,都在争抢高通芯片的首发名额,以占取先发优势。高通给谁供货少了,就有可能面临失去市场的风险,甚至倒闭。中高端芯片这块,高通有着极大的话语权。


由于高通在2G技术的积累,与GSM二分天下,3G时代一家独大,风光无限的高通,让“天下苦高通久矣”。到了4G,业界抛弃了CDMA技术,选择OFDMA作为4G核心技术。但是4G也依然离不开高通多年的技术积累。


虽然不能完全摆脱高通的技术控制,但至少降低了高通的话语权。2014年4G必要专利中,美国以1661件位居第一,中国大陆以1247件排第二。5G时代,以华为、中兴、大唐通信为代表的企业,专利总量实现反超排第一。但是在编码方案中,高通还是夺得了大部分方案,这意味着,标准制定上高通依然有优势,但实施方案上,我国占优势。


总结下来,高通由于先发优势,在2、3、4G的技术积累,让高通可以“躺着收钱”,但是随着各国企业加入技术赛道争夺,高通在通信技术的优势越来越不明显了。反之,我国在5G的投入也终于获得回报,未来我们也将掌握更多核心技术。


在手机CPU业务端,高通的地位依然不可动摇。华为、联发科都出了自己的5G基带和芯片,但是华为由于被制裁,芯片业务岌岌可危。联发科是为数不多能对高通芯片造成威胁的玩家。联发科的天玑11000+在性能上与骁龙865(5G)差距缩小,进步非常大。但实际使用情况,还需要更多来自市场的反馈。5G机会,联发科暂时性的没有掉队,但是能不能抓住机会继续发力,像AMD一样来一波逆袭,就要看后面的表现了。市场的多元化竞争,也让消费者受益。

       1对信息的控制;2对政策的控制;3对公共产品与公共服务的生产与供给的控制;4促进政府思维方式的变革;5推动社会网络结构的生成;

       大数据是伴随着全球化与后工业进程出现的,是全球化与后工业化的标志之一,因传播速快、容量大、价值大等特点又进一步加剧了这个时代的不确定性。但隐藏在数据背后的数据价值与数据红利却可以对不确定性进行前瞻性预测,促进政府思维方式的变革以及社会网络结构的生成。大数据的出现将以各种形式解构着传统的政府官僚制组织模式。因此,大数据不仅是一场技术革命,改变我们的生产、生活方式,工作方式、组织方式与社会形态的技术工具,它更意味着一场思维方式的变革,将带来公共管理与公共领域的变革。如果说工业化时代的基础设施是铁路、公路、航空、水电等,那么在后工业化时代,大数据、云计算、物联网等将成为新的基础设施。未来,谁掌握了大数据,谁就主宰了世界历史的舞台。


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