2010 年誕生的最“年輕”指令集 RISC-V 已經吸引了眾多巨頭支持者，比如國外的谷歌、高通、西部數據，國內的阿里、華為、紫光展銳。近幾年，開源的 RISC-V 指令集芯片在 IoT 市場已經取得了不錯的成績，給這一市場占有優勢的 ARM 帶來不小壓力。
Semico Research 預計，2025 年全球將有 624 億個 RISC-V CPU 核心。RISC-V 指令集不僅可以用于 CPU，全球首款基于 RISC-V 指令集的 DSP(Digital Signal Processor，數字信號處理器)將在本月底量產，該芯片來自中國初創公司中科昊芯。
對于 RISC-V 陣營而言，這是生態建設中一個值得關注的進展。對于 DSP 芯片而言，這是一個大膽的嘗試。對于中國的國產芯片四大件而言，這是一個突破的機會。
全球首款 RISC-V DSP 面向工業自動化市場
根據已知的公開消息，中科昊芯是全球第一家用 RISC-V 指令集設計 DSP 的公司。中科昊芯創始人兼董事長李任偉告訴雷鋒網：“我們是國內為數不多的 DSP 團隊，有十多年 DSP 和通用處理器研發經驗，在 2016 年就開始 RISC-V 處理器核的研究。2019 年 1 月公司成立，7 月份首款 RISC-V DSP 芯片流片成功。”
“3 月底我們就會量產兩個系列的 DSP，都是面向工業自動化市場。”李任偉透露。
中科昊芯之所以敢率先選擇 RISC-V 設計 DSP，除了其團隊有成功研發多款處理器的經驗，還因為 RISC-V 是解決國產 DSP 兩大挑戰的好選擇。DSP 是一類嵌入式通用可編程微處理器，最大的優勢是能夠實時高速處理數字信號，且比 CPU、GPU、FPGA 功耗更低，廣泛應用于通信、計算、消費電子和自動控制等領域。
“DSP 主要有兩種形式，一種是單芯片，另一種是通過 IP 或模塊集成到 SoC。”李任偉說：“國產單芯片 DSP 有一些市占率，在 DSP IP 領域國產化率幾乎為零。”
雷鋒網了解到，國產 DSP 在某些特殊領域的國產化率已經達到 80% 以上，但這些特殊領域占 DSP 整體市場的份額不到 5%，其它領域國產 DSP 自給率不足 10%。
提升 DSP 的自給率，有兩大制約因素。第一個制約因素是知識產權，任何處理器都需要指令集，指令集的問題本質就是知識產權問題。CPU 有 x86、ARM、MIPS 等指令集，其中 ARM 憑借授權模式在移動處理器市場稱霸。
“巨頭們的 DSP 指令集都各不相同，并且不對外授權，國產 DSP 想要自己定義一套指令集的難度不大，但僅憑一己之力很難構建一整套工具鏈和生態。”李任偉指出。
第二個制約因素是應用生態，如何吸引開發者和客戶使用國產 DSP 是一個更大的挑戰。
“RISC-V 是一個開源指令集，沒有知識產權問題。同時，無論是國內還是國外，企業還是高校，都紛紛加入 RISC-V 基金會，生態發展很快。”李任偉說：“當時我覺得 RISC-V 有機會把國產 DSP 面臨的兩大挑戰完美解決，因此我們在 2016 年就大膽做了選擇，開始自主研發基于 RISC-V 的 DSP。”
至于為何首先推出面向工業控制市場的 RISC-V DSP，主要有三個原因。
解決 RISC-V 性能弱挑戰，發揮靈活性優勢
“之所以選擇工業自動化和機器視覺這兩個市場，主要是因為我們團隊在這兩個領域無論是技術儲備還是市場推廣方面都有更多積累。”李任偉進一步表示，“當然，這兩個領域我們也會分步走，先推出面向工業自動化的一系列產品，再推出面向機器視覺的產品。”
還有一個原因，消費電子和自動控制市場規模占到整個 DSP 市場規模的 11%，工業控制市場也是 DSP 巨頭的重要市場，這是一個好的突破口。
面向這兩個領域的 DSP 在性能上會有很大的差異，應用于工業自動化的 DSP 是數字信號和控制之間的橋梁，更強調實時控制和應用中的變換性能，應用于機器視覺的 DSP 則需要更強的算力。
高算力對于 RISC-V 指令集的芯片是個大挑戰。李任偉說：“基于 RISC-V 指令集的 DSP 與巨頭公司的 DSP 在體系結構上有很大的差異，在相同的主頻下，RISC-V 指令集的 DSP 性能與巨頭公司 DSP 性能有較大差距。”
其本質原因還是傳統的高性能 DSP 的體系結構是針對 DSP 算法設計的，其一條指令可以實現諸多復雜功能，而用 RISC-V 指令來做相同的事情則需要調用多條指令。“這對我們而言是非常大的挑戰，憑借著我們團隊豐富的經驗，在最基礎 RISC-V 指令集的基礎上，根據算法的特點，抽取定義了很多 DSP 指令，再加上體系結構方面的大量創新，最終才設計出性能和功耗優異的 DSP。”李任偉表示。
解決了 RISC-V 帶來的性能挑戰，RISC-V 指令集的優勢也得以突顯。“由于我們只是用了最基礎的 RISC-V 指令集，和自己擴展的指令集，沒有向前兼容的問題，再加上 RISC-V 本身的功耗優勢，我們的 DSP 有功耗優勢。”李任偉同時表示：“正如 RISC-V 在每個領域都可以發揮定制化優勢一樣，在 DSP 領域也同樣如此。我也認為未來會是領域專用架構的時代。”
芯片更高的性價比并不意味著就會受到開發者和用戶的歡迎，應用生態是更大的挑戰。“我經常說我們其實是站在巨人的肩膀上，如果沒有 RISC-V 社區的貢獻，我們想要做出完整的工具鏈的難度太大。有了開源的方案，就可以在開源的基礎上進行修改和定制，大大降低難度。”
李任偉說：“為了讓用戶比較方便的切換，我們也做了很多工作，包括開發環境，界面以及接口等，通過編譯器和提供足夠多的庫，用戶基本不用改變習慣就能非常容易地切換到我們的 DSP，而且成本很低。”
先以用戶熟悉的方式切換到國產 DSP 芯片，再逐漸去提升性能，從中低端市場切入，一步步發揮出優勢，實現芯片的高端替代。以中科昊芯為代表的國產 DSP 芯片公司找到了一條不錯的國產替代路線，但突破挑戰不小，也需要耐心。
國產替代浪潮下突破 三大巨頭的統治
“不管哪個領域，不管高端還是中低端，芯片的國產替代最難的都是應用生態。”李任偉認為，“之前國內的用戶即使想用國內的芯片，也沒有選擇。”
如今，國家大力發展國產芯片產業，并提出了明確目標。2020 年 8 月國務院印發的《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》提出，中國芯片自給率要在 2025 年達到 70%。
在資金和政策的支持下，包括 CPU、GPU、FPGA、DSP 在內的國產芯片迎來了巨大的發展機遇，中科昊芯也是在這樣的背景下成立。“對于國產替代更迫切的領域，包括 DSP 在內的國產芯片的自給率提升會更加容易，比如電力和軌道交通等領域。”李任偉說道。
“除了特定的領域，包括工業自動化等市場，國內用戶對國產芯片的態度也更加開放。從去年到今年，我們明顯感受到客戶接受國產新片的意愿越來越強，包容度也更高了。”
對于許多用戶都擔心的國產芯片的穩定性問題，李任偉表示中科昊芯的芯片有嚴格的測試流程，穩定性沒有問題。
國產芯片還有一個優勢，更能滿足國內市場需求。比如越來越受關注的安全性，許多國產芯片都通過硬件的方式增強芯片的安全性。中科昊芯還可以提供定制化的功能，實現更強的安全性。
還有一個不容忽視的機遇，包括 TI、ADI、NXP 在內的三大 DSP 芯片巨頭都普遍缺芯。DSP 芯片并不需要業界最先進的 7nm、5nm 工藝，國內的芯片代工廠可以代工，并且芯片的封測大部分也在國內進行。
“如果使用國內成熟的節點，芯片的生產受到的影響會小一些。缺芯對于國產包括 DSP 在內的國產芯片確實是一個機會。”李任偉說。
小結
與 CPU、GPU、FPGA 共稱為芯片四大件的 DSP 由于其專用性更強，無論是市場規模還是受關注度都更小。即便如此，DSP 的國產替代對于實現芯片的自主可控和高端替代仍意義重大。作為國內為數不多的 DSP 芯片公司之一，中科昊芯選擇的 RISC-V 指令集能夠解決知識產權和應用生態兩大挑戰。
但正如李任偉對雷鋒網所說，“從最開始定義產品，我們的目標就很明確，同等檔次的產品要比國外巨頭的 DSP 性價比更高。要達成這個目標的難度挺大。”
值得慶幸的是，中科昊芯去年和今年都有融資，獲得了資本的認可，客戶目前的反饋也非常正面。
保持耐心，抓住機遇，國產芯片的未來值得期待。
