低调的国产RISC-V芯片玩家
2021-07-09
14:00:22
来源: 半导体行业观察
凭借其开源、灵活、可定制和简约的特性，RISC-V自面世以来，就受到了行业先进的关注。进入最近几年，因为性能、参与者以及相关产品和工具的成熟，RISC-V进入了全面爆发前夕。据分析机构Semico Research预测，预计到2025年，市场将总共消费624亿个RISC-V 内核，这个新兴的技术将会在包括计算机，消费者，通讯，运输和工业市场在内的多个细分市场获得广泛认可。
在这个巨大市场潜力的推动下，IP厂商、工具厂商、芯片厂商和系统厂商都争先恐后地涌入这个赛道，其中不乏一些拥有深厚行业积累的厂商。如以ASIC芯片起家的嘉楠科技（以下简称“嘉楠”），就是当中一个重要的低调参与者。
众所周知，纳斯达克上市的嘉楠科技在ASIC芯片设计方面有深厚的积累，公司在芯片的前后端设计以及流片方面也有丰富的量产经验。早在2016年，嘉楠就成为了国内前十实现10nm芯片量产的公司。也就是从这一年开始，嘉楠开始了在边缘端AI芯片的探索。
据嘉楠科技董事长兼CEO张楠赓先生介绍，因为ASIC芯片对于计算效率的要求趋近极致，这就需要嘉楠一直在ASIC芯片设计中寻求算力与功耗之间的最佳平衡。因为这个研发过程对技术要求比较高，这无疑间就磨炼了公司的研发团队。与此同时，公司还发现，ASIC在计算效率上相比传统架构有了数量级的提升，这就为嘉楠后续进军RISC-V市场埋下了伏笔。同属计算密集型应用场景的边缘AI芯片就成为了嘉楠的目标。
经历了一番综合考量，嘉楠把目光投向了基于RISC-V的边缘端AI芯片。
如前文所述，RISC-V架构的一个备受关注特点就在于可定制性，而这些定制就需要开发者对ASIC有深刻的了解，这正是嘉楠所具备的。张楠赓进一步指出，RISC-V拥有几个其他ISA所不具备的优势：
首先，从成本角度看，RISC-V开源免费的特性对于芯片创业公司而言非常友好。选择这一架构，意味着嘉楠可以在AI芯片研发过程中节省大量的IP授权成本，将资源投入到最核心的技术研发，帮助公司加快芯片的迭代速度，灵活应对市场环境的变化。
其次，从技术趋势角度看，RISC-V架构开源、精简和模块化的理念符合未来的技术发展趋势。计算体系结构宗师David Patterson（RISC-V的创始人之一）在ACM通讯上发表的论文中就指出了计算机体系结构的两个机遇，其中一个就是开源的指令集ISA，创建一个“面向处理器的Linux”。从目前来看，RISC-V无疑是开源指令集架构中最成功的一个。
第三，从开发角度看，RISC-V不需要像ARM一样考虑向后兼容，没有历史包袱，基础指令只有几十条，学习门槛相对较低；另一方面，RISC-V支持开发者按需拓展指令，这为芯片研发提供了更高的自由度。
第四，从性能角度看，RISC-V架构内核的性能可与ARM内核性能抗衡。
第五，从IP开发角度看，嘉楠从一开始就坚持IP核心自主研发的技术路线，RISC-V架构则提供了这一可能。嘉楠还能以SoC的形式将RISC-V CPU与自主研发的加速器组合在一起，为客户提供边缘侧的芯片解决方案。在这一过程中，公司可以把更多精力放在IP核的迭代，而不用考虑可能面临的授权风险。
从市场发展现状看来，嘉楠打造端侧RISC-V AI芯片的做法也是一个明智的决定。
熟悉行业的读者应该知道，根据应用场景的不同，AI芯片的可以粗略划分为模型训练和推理计算。其中模型训练市场已出现巨头垄断的态势，GPU巨头英伟达不仅在硬件方面建立起技术领先优势，而且结合图形计算平台构建了强大的软件生态壁垒，那就意味着这个市场给新晋者的机会并不多。反观推理芯片组市场，则还处于发展早期，特别是边缘侧市场，不同场景对芯片的要求存在差异化，给AI芯片公司留下了更多空间，因此嘉楠一开始就专注于边缘推理芯片的研发。
同时，在边缘侧市场，可穿戴设备、摄像头和传感器等联网设备越来越多。不同物联设备对功耗和算力的要求不同，这就决定很难用单一架构适配所有场景。架构的竞争归根结底是生态之间的竞争。虽然ARM仍然是移动端市场的主流，但RISC-V开源和模块化的特点允许像嘉楠这样的芯片公司基于RISC-V进行定制化的设计，拥有更大的自由度。
此外，从目前的市场环境看，Arm正成为巨头公司争相收购的目标，这对于IP授权的独立性造成了很大威胁。而如果很多组织使用RISC-V设计处理器，就可以在更大层面上推动芯片的创新。所以长期来看，RISC-V的价值在未来会更加凸显，从而为嘉楠带来更多的市场机遇。
奔跑在这条全新的赛道上，自主研发的IP成为了嘉楠最重要的底气之一。
在拍板进军RISC-V之后，嘉楠就一直坚持依托RISC-V架构，自主研发IP核心的技术路线。
张楠赓表示，公司这样做有三方面板的优势：一方面是为了把核心技术握在自己手里，避免可能面临的授权风险；另一方面，自主开发核心从长期来看可以降低研发成本，并加快芯片的迭代速度；第三，自研可以形成嘉楠自身的芯片设计方法体系，确保核心技术和研发理念的传承。
本着这样的研发思路，嘉楠迄今已经推出了两代自主研发的IP核心，分别为KPU（Knowledge Process Unit）和KPU2.0。这是专门为机器视觉任务设计的神经网络加速器。因为异构计算是目前针对深度学习的主流硬件方案，为此在结合CPU与KPU加速器后，嘉楠能更好地提升芯片在视觉算法模型上的性能表现。
落实到芯片方面，嘉楠在2018年就推出了公司的第一代产品勘智K210。这款产品在过去几年里也在包括智能园区、智能家居、智能能耗和智能农业在内的多个场景中发挥了重要的作用，公司也与一些行业头部公司开发了智能产品。今年，嘉楠就作为全国大学生OS设计大赛唯一的技术支持方，也为大赛提供勘智K210和开发板作为评估工具。与勘智K210甚至还在美国和日本等国际市场上率先打开局面。
但张楠赓指出，即使K210在不少领域表现抢眼，但由于该芯片的研发时间较早，在算力规划上没有考虑到后来才出现的算法模型，导致产品在应用场景的拓展上受到限制。为此，嘉楠在日前又顺势推出了新一代的中端芯片K510。
据介绍，在全新的勘智K510芯片，继续沿用了双核RISC-V CPU架构中，但嘉楠围绕RISC-V CPU子系统进行了优化。例如该CPU集成了64位的数字信号处理器DSP，配合自主研发的KPU2.0核心为AI应用加速。
此外，DSP内部还设计了专用的本地存储，进一步提升DSP的实际运算性能。研发团队还在双核CPU和DSP之间设计了专用的mailbox模块用于通信，方便软件灵活掌控整个系统。
K510同时还在总线架构、IP核心与视频子系统等多个方面也推出了全新设计。这使其算力相比一代芯片提升了3倍，经典视觉算法mobilenetv1帧率大幅提升，自研高速PHY接口理论带宽也做到了10GB/s，8位数据压缩率更是高达50%以上，极大优化了勘智AI系列在机器视觉场景的应用性能。
为了进一步解决大功耗和大面积的问题，嘉楠在K510芯片上更是采用了NoC总线架构，让每个IP工作在特定的时钟域，解决庞大时钟树的困扰。
在K510的视觉硬件配置上，嘉楠也进行了大幅优化，使其能够支持MIPI CSI2 和DVP接口，可同时支持最多3个摄像头输入。芯片内部还集成了3个图像处理单元ISP, 其中一个ISP支持3D 功能，无需软件参与，硬件完成深度数据的提取和加工，相比软件处理深度信息方式不但节省了巨大的CPU开销，性能上也会有很大提升。
嘉楠同时还提高了K510在摄像头输入接口设计的灵活性，让其既可以硬件流水线方式将摄像头输入送至ISP硬件，也可以把输入图像写入DDR，ISP再通过线下方式读取DDR内的图像完成后续处理。满足用户可以在中间加入定制化的处理需求，或者对定制化的数据进行ISP处理。
值得一提的是，通过融合公司在算法、软硬件和编译器的最新设计，嘉楠推出全新的KPU2.0，集中突破AI芯片设计中广泛存在的“存储墙”和“性能墙”的问题。为了提升计算效率，KPU2.0采用了动态3D PE阵列，第三个维度支持多种方式共享传递数据，并实现多个维度上的计算映射，提高PE阵列的利用率。同时也可以动态开启或关闭每一个2D阵列，并根据不同层级对带宽和计算资源的需求进行调整。
据了解，通过动态3D PE阵列，K510支持多种方式共享传递数据，灵活支持多个维度的计算映射，提高PE阵列利用率。采用GLB(Global Local Buffer)设计，通过可配置的SRAM阵列实现，灵活配置以满足不同数据类型在不同层上的带宽和存储需求，并提升内部RAM的利用率。结合动态3D PE阵列和GLB设计，嘉楠还独创了计算数据流技术，在计算卷积时不需要进行数据重排；通过多级存储设计提升卷积计算的数据复用率。
此外，KPU2.0还搭载了可重构的SIMD加速单元，通过创新的meshnet网络可以灵活配置支持各种激活函数、pooling和resize等算子。
作为一款定位于中高端边缘推理芯片市场，K510无论在核心架构还是外部设备接口方面，都对芯片的视觉处理能力进行了大幅优化。这就使得这个芯片能够在高清航拍、高清视频会议、智能家居、各类机器人以及车载后装智能终端等市场发挥其功用，并占领一席之地。根据公司的规划，未来几年会有多款勘智芯片亮相，助力多个不同的应用和市场。
虽然在包括嘉楠在内的多个厂商的推动下，RISC-V取得了长足发展。但从过往的历史看来，任何一款架构的普及都需要时间。如PC时代的x86架构统治了指令集架构市场几十年，后PC时代才迎来Arm架构的崛起，Arm也用了几十年，才走上了巅峰。换而言之，计算负载的变迁需要经过一个长时间的生命周期。也就是说我们现在虽然已经进入了万物互联时代，给RISC-V创造了机会，但这个新兴指令集来说，也只是迈出了第一步。
再者，现在的指令的发展趋势是开放度越来越高。如Arm崛起的原因很大程度上是因为它引入了更多的市场参与者。同样地，我们也将看到RISC-V作为开源架构标杆对于新一代芯片设计厂商的吸引力，也许未来的英伟达、英特尔就会从这个生态中诞生。为此嘉楠也会持之以恒地投入其中。
张楠赓同时还强调，RISC-V生态还在持续壮大，特别在边缘侧场景中，因为很多业内通行的设计标准和协议标准尚未统一，所以在百家争鸣的现阶段中，探索自己独特的技术路线更有意义，这也是作为RISC-V的坚定支持者嘉楠所践行的。
“但我们也应该认识到，将芯片转化为智能产品需要一个过程。与软件不一样，硬件是一段漫长的旅程、很花时间。需要先完成原型，然后客户进行测试，可能还要进行一些反复开发，所有这些事情都会比在Linux上debug花更久时间，也需要在生态上花费更多心思”，张楠赓补充说。
基于以上考虑，嘉楠会坚持依托RISC-V架构进行自主IP核研发的技术路线，为市场带来性能表现更优的芯片。同时，公司也会在软件方面发力，给客户带来更方面的研发体验。
据介绍，通过公司采用统一的AI编译器，勘智系列KPU能支持 TensorFlow、PyTorch和ONNX 模型导入。支持算子融合、稀疏压缩和量化等优化手段，对模型的延迟和带宽进行深度优化。K510同时还支持丰富的网络模型算子，当中包括常见的 CNN、RNN 算子和各类向量计算和数据处理操作。
“嘉楠的成长受惠于开源，公司也将全面拥抱软硬件开源战略。嘉楠已经决定把公司在硬件模块、软件算法的积累，以及芯片手册等基本资料去阿奴共享出来给开发者使用，与全球的开发者共同推进RISC-V生态的繁荣。”张楠赓说。在他看来，推动RISC-V产业的发展，除了有利于公司本身以外。这于中国芯片产业来说，也是有百利而无一害的。
过去，芯片设计有时需要上亿研发费用，投入上百人，但这是中小企业不易承担，而且也不一定能掌握发展的主动权。但开源的RISC-V芯片设计能将芯片设计门槛大大降低，让3到5人的小团队在3到4个月内，只需花几万元便能研制出一款有市场竞争力的芯片，从而将促进芯片产业的繁荣，能更好地支持人工智能等新一代信息技术和数字经济的发展。
张楠赓认为，芯片产业最关键的是人才。在芯片设计门槛降低之后，将会吸引到更多的人才投入这个行业，这有助于奠定本土芯片产业长远发展的人才基础；另一方面，因为x86和Arm架构自身比较封闭，不容易进行创新。
“有了RISC-V之后，本土的一些架构创新的成果也容易以开源的形式进行推广，有助于打造中国在开源芯片领域的话语权。”张楠赓强调。
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