RISC-V汽车电子新机遇

2023-08-21 16:20

最近汽车行业内电子巨头们?博世、英飞凌、Nordic Semiconductor、NXP?和高通. 携手共同投资一家公司，提供支持基于 RISC-V 的兼容产品、参考架构并帮助建立行业广泛使用的解决方案。新公司首先的应用重点将是汽车，但最终将扩展到移动和物联网。

另一方面，芯片研究机构Semico Research Corp 的数据显示，到 2025 年，RISC-V 内核的出货量将达到 800 亿个，到 2025 年将占据 CPU 内核的 14%。Semico 预测，从 2020 年到 2027 年，采用 RISC-V 内核的 SoC 出货量总体年增长率为 74% ，汽车领域每年增长70%。Counterpoint Research 表示，到 2025 年，RISC-V 将渗透到汽车市场的 10%。

通过这些新闻和数据，可以看到新的技术RISC-V将会深刻影响汽车电子产业。RISC-V 研究和开发始于 2015 年，主要在学术和初创企业层面，但现在正在迅速成熟。RISC-V 被认为是一种开放技术，就像 Linux 一样。基础架构可以免费获得许可，然后可以由任何公司进行修改以满足他们的需求。他可以替代目前被使用广泛使用的 x86 架构（只能以制造形式购买），和ARM 架构（主要是许可设计）。因此，RISC-V有潜力渗透到ARM主导的汽车行业，加速汽车电子发展。

所以本文将围绕RISC-V进行以下方面进行分享：

什么是RISC-V？

RISC-V有什么优点？

为什么RISC-V崛起？

RISC-V能在汽车行业产生什么应用？

RISC-V在国内的发展？

希望能给大家带来一些关于RISC-V的基础产业知识。

什么是RISC-V

RISC-V是一种处理器架构，发音为“Risk- Five”，或者可以理解芯片IP或者内核架构，熟悉芯片的朋友都听过x86 和 ARM的架构，例如《详解特斯拉最新域控电脑硬件》特斯拉娱乐系统主芯片采用的AMD Ryzen就是使用x86 架构，然后目前国内汽车座舱使用的8155其CPU都采用ARM架构，另外智驾里面的CPU的IP基本来自Arm。而RISC-V也和他们一样是一种芯片处理器架构。

其中指令集架构（Instruction Set Architecture,缩写ISA）是芯片处理器架构的抽象模型，它定义了寄存器模型和机器代码指令等内容。通俗一点讲，这些指令集可让软件与 CPU 对话并告诉它要做什么。

RISC-V前面的RISC(Reduced Instruction Set Computer)是一个广泛的术语，用于谈论精简指令集计算机，该术语涵盖了各种具有更简单设计和功能的 CPU 架构,当前火热的高通芯片的CPU中采用的ARM，Mobileye的Q系列芯片，Infineon 用的非常多的Tricore系列MCU都是采用RISC设计。

RISC-V中V故名思意是罗马字5的意思，他是加州大学伯克利分校的Krste Asanovi在加州大学进行的一系列基于 RISC 的合作研究项目的同名第五代项目，所以叫RISC-V，当时的主要目的就是开发并发布一个开源芯片系统，帮助学术和工业。

RISC-V的重要发展里程有如下三个里程碑：

2010 年，在加州大学伯克利分校构思启动，是一个用于开发芯片处理器的免费、非专有平台。RISC的发源也是在伯克利，但RISC不是开源的。

2015年，RISC-V基金会成立，旨在建立一个基于RISC-V ISA的开放、协作的软硬件创新者社区。该基金会是一家由其成员控制的非营利公司，负责指导开发以推动 RISC-V ISA 的初步采用。

2020年3月，RISC-V基金会迁往瑞士，解决了受地缘政治干扰的风险。

所以作为芯片计算指令集架构，RISC-V是开源的，这意味着 RISC-V 是免许可和免版税的。RISC-V允许用户免费使用新指令扩展ISA并创新RISC-V处理器的微架构，当前主流的Arm架构，要求用户支付版税。这使得RISC-V迅速受到众多厂商的欢迎。

从复杂度来看，Arm被认为比RISC-V更复杂。另一个原因是，与笔记本电脑、台式机和服务器相比，ARM 对移动手机的优化更为过度。RISC-V 并未针对某一特定实现进行过度优化。它适用于从微控制器到超级计算机的所有计算系统。

x86、ARM 和 RISC-V 微处理器之间的差异多种多样。这些差异推动了一般应用的适用性。AMD 和 Intel 的 x86 处理器在计算机和服务器领域占据主导地位。在平板电脑和智能手机上，苹果和高通的 ARM 处理器占据主导地位。ARM 处理器在嵌入式应用方面也表现强劲，但随着 RISC-V 越来越多地用于嵌入式系统、汽车系统、存储、人工智能和机器学习应用，这种优势正在受到挑战。

RISC-V有什么优点

从历史上看，芯片一直由专有处理器架构主导，例如台式机的电脑时代讲究通用性能的X86 架构指令集，他属于复杂指令集CISC (Complex Instruction Set Computers)是英特尔芯片帝国一手构建强大生态和通用的芯片指令，但总体来讲高性能，生态好但是如果对于专用芯片来讲是运行更慢。

到了移动互联时代，以Arm为代表讲究能耗与性能均衡的架构指令集。他属于精简指令集RISC(Reduced Instruction Set Computer)更加专用和讲究能耗。

所以芯片架构的跟随时代的发展，基于原有设计初衷的芯片架构，在新时代的发展时，极大的影响设计自由度。

但 RISC-V 是简化ISA是自下而上构建的，可以处理最新的计算工作负载。而RISC-V与拥有数十年历史且背负着遗留的指令的专有架构（X86和Arm）有很大不同。

RISC-V I它的创建考虑了灵活性、可扩展性和可伸缩性。通过将组织从单一供应商的产品路线图中解放出来，RISC-V 使定制芯片变得更加容易获得。

RISC-V 提供的简单性、安全性和软件灵活性。在所有区域架构中使用单个 ISA 可以提高代码可移植性，并可以大大降低成本和财务数据。此外，RISC-V生态开发的矢量扩展还为汽车制造商带来了增强的人工智能等ML和数字信号处理DSP功能。

目前基于RISC-V的全球强大的生态系统，确保支持工具和解决方案有多种选择。在没有专有锁定的情况下，汽车制造商可以从多个供应商获得许可，并可以更灵活地根据需要设计自己的 IP，同时保持 ISA 兼容性。

RISC-V 之所以受到欢迎，是因为该架构为处理器提供了简化的指令来完成各种任务。它还使设计人员能够创建数千个潜在的定制处理器，从而加快上市时间。处理器IP的通用性还节省了软件开发时间。RISC-V 的其他优势包括：

其开放标准性质，允许整个行业的协作和创新。

通用 ISA，有助于简化软件开发，因为所有处理器都可能使用相同的架构。设计人员可以使用相同的基础 ISA，从简单的嵌入式设备到最大的超级计算机，根据市场需求定制设备。与之前的 ISA 相比，RISC-V ISA 具有独特的功能，并且可以根据需求进行定制。

提供更小、节能和模块化的选项。

安全功能，可通过开源参考设计、软件组合分析工具和安全扩展来获得。此外，其开源性质意味着整个 RISC-V 架构可以在公共领域受到密切审查，消除后门和隐藏通道。

为什么RISC-V崛起

如上文讲到RISC-V的优点，RISC-V 开源不需要开发许可、使用费或其他费用。此外，RISC-V 内核可以根据不同的需求进行定制。

所以任何 CPU，无论是否定制，现在都可以轻松制造。

而当前主流的ARM 需要 IP 核许可批准，费用为100万美元到1000万美元之间。此外，如果您想更改设计中的任何内容，您将需要付费。另外每生产一块芯片，ARM都要收取1-2%芯片价格的费用。

ARM的母公司软银在2016年以243 亿英镑收购了ARM，现在软银对于ARM当前的商业模式不满意，所以他一直在寻找套现的方法。英国《金融时报》报道ARM可能在其IPO之后，改变收费方式，未来可能根据设备价格比例向终端收费，例如向用了Arm架构的手机制造商收取智能手机总价的一定比例，而不是按销售的每个芯片组的一定比例收取费用。

所以基于Arm芯片IP的开发从成本价格和可控性管理都有非常大的隐患。

ARM是专有的实体公司，它还面临着被政府禁止出口的风险，如果美国试图阻止 ARM 知识产权向中国出售，那么可想而知供应链中断风险巨大。而RISC-V基金会于2020年迁往瑞士，一年后更名为“ RISC-V国际”，表明其不会受到美国政治影响。

所以使用RISC-V可以规避地缘政治风险，可以看到ARM最大市场中国的科技公司纷纷围绕RISC-V团结起来。

当然，芯片行业都明白，芯片最大的问题是生态链的构建，他需要硬件、操作系统、编译器、开发者工具、应用程序生态系统以及制造移动设备所需的一切协同合作共生。大家使用X86和Arm一大原因拥有非常好的芯片生态。

这是 RISC-V 必须迎头赶上的最重要领域，但它正在取得进展，可以看到国内国外基于RISC-V生态构建正在蓬勃发展。

RISC-V能在汽车行业产生什么应用

芯片在原本机电时代的汽车就异常重要，分布式的ECU架构对于芯片渴求度较高，但比较原始低性能。随着智能汽车时代的到来性能相对较高，功能集中的芯片以及AI类高性能芯片渴求更高了。

芯片广泛用于各种汽车系统，例如包括 ASIL-D 安全等级MCU和安全芯片、人工智能 (AI) 加速器、基于氮化镓 (GaN) 功率半导体的车辆 (EV) 电池充电器，甚至高压IGBT,碳化硅等等。

其中用量非常大和广泛的MCU（或更普遍的低端处理器），他的指令集架构IP 空间非常分散，主要有ARM M 系列、MIPS M 系列、ANDES、Cortus、ARC、Codasip 等等。

之前文章《汽车芯片半导体 - 101》中分享过汽车芯片巨头Infineon，他的芯片MCU横跨汽车所有机电零部件，但他芯片所用的IP基本就是两种，一个是ARM的IP,另外一个是其自己开发的Tricore,而Tricore 也是基于RISC指令开发。

所以基于RISC-V架构的指令集架构的MCU，也是目前大家暗暗发力的地方，例如文章开始讲到的芯片五家巨头合作的公司，国内众多的MCU芯片公司，智能座舱，智驾高性能芯片方面，同样根据目前RISC-V领先IP商用提供商的说法“RISC-V性能没有天花板和应用限制“，所以RISC-V的应用可以在汽车产业无处不在，从车端的MCU到智能AI SoC再到云端的高性能芯片。

由于汽车芯片对于效率，减少延迟；安全可靠；多样性等方面有着特殊的要求。目前现有基于X86和Arm等IP的芯片，虽然生态丰富，但是它更多针对PC时代和移动互联网时代过度优化。所以给汽车等物联网时代新芯片需求留有空间，但RISC-V 渗透汽车行业的潜力取决于几个因素，包括：

性能和能效：RISC-V 处理器需要展示具有竞争力的性能和能效，才能在汽车应用中获得采用。

安全性和可靠性：汽车行业非常重视安全性和可靠性。RISC-V 实施需要满足行业严格的安全标准，例如 ISO 26262，才能考虑用于关键应用。

生态系统和支持：强大且成熟的生态系统（包括工具、软件和支持）的可用性可以显著影响 RISC-V 在汽车领域的采用。

行业接受度：汽车制造商和供应商在采用新技术方面可能比较保守。说服他们从 ARM 转向 RISC-V 可能需要彻底的测试、验证和长期支持的保证。

成本和许可：RISC-V 的开源特性在许可成本方面具有优势，但整体系统成本（包括开发、集成和支持）应该具有竞争力。

RISC-V在国内的发展

RISC-V和Lunix一样是开源的,特别是地缘政治的时代，这完全不会卡脖子的事情。另外开源意味着开发入门的门槛更小，没有动辄上千万的授权费，最后就是RISC-V属于较新的架构，可以给专有芯片提供了灵活性和定制能力。

以上三点RISC-V的优点特别符合中国快速发展的产业节奏，所以RISC-V在中国从学术到产业蓬勃发展，特别是这两年，基于RISC-V的产业会议成了芯片类会议的大主题，基于RISC-V芯片上市层出不穷。

在国际RISC-V协会，22家最高级别的Premier Members会员当中，中国大陆厂商的数量达到了14家。3000多名会员中，超过50%为中国大陆的公司。

学术方面，早在2018年中国院士倪光南等人就推动成立了RISC－V产业联盟，国内清华伯克利深圳学院，中科院等学术机构积极培育。

产业方面，2018年左右阿里的平头哥就已开发出RISC－V架构的玄铁系列芯片，主攻物联网芯片，据悉三年多时间玄铁系列芯片出货量就已达到30亿颗，2019年7月，平头哥发布当时业界性能最强的RISC－V处理器玄铁910。玄铁910打破了RISC－V性能的天花板，用于计算机领域。2021年底华为就推出了RISC－V架构的电视芯片。有中国的加入RISC－V架构芯片的出货量已突破百亿颗，比ARM当年实现百亿芯片出货量快了5年时间。

汽车方面，基于RISC-V架构的MCU是目前火热的方向，国内已经推出基于RISC-V架构MCU的厂商有芯科集成、爱普特、凌思微、启英泰伦、先楫半导体、中移芯昇、飞利信、睿思芯科、时擎科技、中科物栖、泰凌微电子等公司，他们都是RISC-V通过MCU进入汽车市场的潜力股。

所以RISC-V在中国芯片已经成了确定的方向，不但汽车方面，其他各类巨头以及创业公司积极推进有关产品。

最后

RISC-V，在汽车变革时代给了全球汽车电子新的机遇，毕竟原有的芯片架构x86和Arm更多的是针对互联网以及移动互联网，而物联网时代特别是汽车此类高价值，讲究性能，能耗，安全可靠的应用场景给了RISC-V新技术施展拳脚的天地，而中国广阔，快速发展的市场更是RISC-V技术的热土。

中国智能汽车时代，芯片方面的Chiplet《中国智能汽车芯片的新希望 - Chiplet》、RISC-V，又给了中国汽车电子芯片在制造硬件和软件方面增添了新机遇。

*未经准许严禁转载和摘录-获取参考资料方式：

1.RISC-V : An opportunity for BoschAutomotive Electronics product range -Bosch

2.PSoC & Traveo microcontroller for automotive solution infineon

3.ISC-V_Everywhere - RISC-V international

4.The RISC-VRevolution at BSC

5.Introduction toRISC-V Functional Safetyspecial interest group

6.Going beyond RISC-V GeneralPurpose Solutions