芯耀
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原標(biāo)題：中國IC設(shè)計調(diào)查
01 什么是芯片IP
芯片，專業(yè)上也稱集成電路，被喻為國家的“工業(yè)糧食”，是信息行業(yè)最核心和最重要的組成部分，被稱作是信息時代的“基石”，它是衡量一個國家高端制造能力和綜合國力的重要標(biāo)志之一。
如果說石油是現(xiàn)代化工業(yè)的血液，那么芯片就是“中國智造”的靈魂，是發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”必不可少的因素。數(shù)據(jù)顯示，自2013年開始，我國每年進(jìn)口的芯片價值超過2000億美元，已經(jīng)超過石油，成為最大宗的進(jìn)口產(chǎn)品。
芯片設(shè)計位于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最上游，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最核心的基礎(chǔ)，擁有極高的技術(shù)壁壘，需要大量的人力、物力投入，需要較長時間的技術(shù)積累和經(jīng)驗沉淀。而半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)的集中體現(xiàn)是享有獨立知識產(chǎn)權(quán)的IP 核（Intellectual Property Core）。
什么是IP核？
IP核是芯片設(shè)計環(huán)節(jié)中逐步分離出來的、經(jīng)過驗證的、可重復(fù)使用的功能模塊，通過使用IP核，設(shè)計人員無需從0開始對所有細(xì)節(jié)進(jìn)行重新設(shè)計，而是借助特定的IP核經(jīng)調(diào)整后快速完成某個模塊的設(shè)計，以縮短開發(fā)周期，降低設(shè)計成本，降低設(shè)計錯誤發(fā)生的風(fēng)險，提高芯片設(shè)計效率。
如果打開一顆芯片，我們能看到版圖上很多個IP組成了整個電路。這些集成電路IP核在芯片設(shè)計中看得到摸得著，也能夠完成一定功能，更重要的是可以通過授權(quán)不同客戶實現(xiàn)復(fù)用。如果做一個比喻，那IP就是組成芯片設(shè)計的“樂高”模塊。
那么IC設(shè)計工程師在選擇這些IP模塊時，主要的考慮是什么呢?
根據(jù)調(diào)查，23%的工程師最看重過去在該IP上的成功案例，這樣可以避免一些未知風(fēng)險。其次最在意的是測試芯片報告(17%)和對最新工藝節(jié)點的支持(16%)，看重這兩點的原因是IP需要滿足各種晶圓廠的工藝生產(chǎn)要求，如果不能做到兼容，F(xiàn)abless在更換代工合作伙伴時就需要根據(jù)Foundry的半導(dǎo)體工藝設(shè)計套件(PDK/FDK)重新完成設(shè)計和硅驗證。
IC設(shè)計工程師可以選擇的IP供應(yīng)商越來越多，在調(diào)查列出的20多家IP核供應(yīng)商中，從IP使用量的角度來看，Arm依然是最受歡迎的IP供應(yīng)商，其次是Cadence、晶心科技、芯原微、MIPS和新思科技等。值得注意的是，RISC-V內(nèi)核的關(guān)注度這兩年一直在漲，也與中國推進(jìn)芯片產(chǎn)業(yè)自主可控有關(guān)，排名前幾位的Andes晶心科技、芯原微、阿里平頭哥都是RISC-V架構(gòu)的主要推動者。
02 RISC-V IP核異軍突起
在智能物聯(lián)網(wǎng)需求多樣化環(huán)境中，開源指令集的RISC-V架構(gòu)具有廣泛的發(fā)展前景。而且RISC-V處于發(fā)展早期，在量產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化方面，國內(nèi)外差距并不大。在這方面，國內(nèi)的以Andes（晶心科技）為代表的企業(yè)這幾年正在大力發(fā)展和推廣RISC-V IP。
近期，RISC-V國際基金會的首席執(zhí)行官卡利斯塔·雷德蒙德表示，估計市場上已經(jīng)有100億個RISC-V核心。從2010年誕生至今，RISC-V用12年左右的時間實現(xiàn)100億核心數(shù)的出貨量，展現(xiàn)了作為新架構(gòu)的生命力。
影響指令集架構(gòu)發(fā)展的因素：
- 外部環(huán)境
貿(mào)易戰(zhàn)背景下，自主可控勢在必行
政策驅(qū)動，集成電路產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展機遇
新一代信息技術(shù)加速滲透，新興領(lǐng)域?qū)π酒岢隽烁叩男枨?/p>
- 內(nèi)部因素
從產(chǎn)業(yè)內(nèi)部角度來看，主流指令集架構(gòu)復(fù)雜，硬件實現(xiàn)難度大
授權(quán)費用高企，芯片企業(yè)成本居高不下
RISC-V首席技術(shù)官Mark Himelstein說：RISC-V是一種開放的硬件，開放源代碼的硬件指令集體系結(jié)構(gòu)：
- RISC-V ISA是完全開源的，任何人都可以免費使用
RISC-V架構(gòu)本身開源，但基于RISC-V架構(gòu)開發(fā)的CPU IP核是收費的
類似于開源的Linux與收費的Redhat Linux一樣，Redhat可以提供相較開源Ubuntu/Debian更好的穩(wěn)定性及對上層軟件的兼容性
同理，商業(yè)的RISC-V IP核可以提供比開源核更好的穩(wěn)定性、發(fā)展連續(xù)性、售后服務(wù)等
- 一種精簡的指令集計算機（RISC）架構(gòu)
只有47條指令，相比之下，Arm有200多條指令
AMD和Intel使用的復(fù)雜指令集計算機（CISC）架構(gòu)遠(yuǎn)超過1500條指令
- 可擴(kuò)展性
模塊化設(shè)計，只配置需要的部分嚴(yán)格規(guī)定兼容性
Engineer可以添加自己的指令集
可用于DSA(特定域的加速度)
RISC-V是一種簡單、開放、免費的全新指令集架構(gòu)。不同于過去x86、ARM等國外商業(yè)公司壟斷的私有指令集架構(gòu)，RISC-V最大的特點是——“開放標(biāo)準(zhǔn)化”，這種開放性，在CPU領(lǐng)域是徹底的第一次，也是CPU技術(shù)變革的一次絕佳機遇。
在很長一段時間里，x86和ARM兩大架構(gòu)各有所專，一個聚焦服務(wù)器、PC市場，一個聚焦移動處理器、物聯(lián)網(wǎng)等嵌入式市場。但是，臺積電等獨立代工企業(yè)的出現(xiàn)拉平了其他芯片開發(fā)廠商與x86發(fā)明者英特爾的工藝差距，ARM也開始進(jìn)入PC及服務(wù)器市場，蘋果M系列處理器、華為鯤鵬、亞馬遜Graviton等芯片的問世，讓市場注意到ARM進(jìn)入高性能計算市場的可能。
天下苦ARM久矣，當(dāng)前市場整合、避免單一架構(gòu)寡占、地緣政治優(yōu)先事項和物聯(lián)網(wǎng)終端的激增，正大力推動RISC-V得到更廣泛地采用。這是自80年代以來芯片架構(gòu)多樣性消失之后，再次推動架構(gòu)多樣性的好機會。
在數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器越來越以業(yè)務(wù)負(fù)載為中心，并且激增了大量的應(yīng)用專用處理器來加速業(yè)務(wù)負(fù)載和提高效率。芯片更加多樣化也為各種處理器架構(gòu)創(chuàng)造了更多機會。推動RISC-V在高性能計算、超算、邊緣計算以及AI、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的應(yīng)用，目前有141家會員單位從事RISC-V數(shù)據(jù)庫、基準(zhǔn)測試和應(yīng)用的開發(fā)。
從競爭性角度看，Arm架構(gòu)和x86架構(gòu)分別在移動終端、PC和服務(wù)器市場壟斷多年，在這些領(lǐng)域RISC-V新玩家滲透進(jìn)去還非常需要時日。但在AIoT、新能源汽車電子、異構(gòu)計算等新興領(lǐng)域，RISC-V和其他架構(gòu)站在同一起跑線，反而具備一些巨頭們不具備的新起跑優(yōu)勢。
從成本角度看，RISC-V開源的特性對于芯片創(chuàng)業(yè)公司而言非常友好。選擇這一架構(gòu)，意味著初創(chuàng)公司可以在AI芯片研發(fā)過程中節(jié)省IP授權(quán)成本，將資源投入到最核心的技術(shù)研發(fā)，幫助公司加快芯片的迭代速度，靈活應(yīng)對市場環(huán)境的變化。
從技術(shù)趨勢角度看，RISC-V架構(gòu)開源、精簡和模塊化的理念符合未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。計算體系結(jié)構(gòu)宗師David Patterson（RISC-V的創(chuàng)始人之一）在ACM通訊上發(fā)表的論文中就指出了計算機體系結(jié)構(gòu)的兩個機遇，其中一個就是開源的指令集ISA，創(chuàng)建一個“面向處理器的Linux”。從目前來看，RISC-V無疑是開源指令集架構(gòu)中最成功的一個。
從開發(fā)者角度看，RISC-V不需要像ARM一樣考慮向后兼容，沒有歷史包袱，基礎(chǔ)指令只有幾十條，學(xué)習(xí)門檻相對較低；另一方面，RISC-V支持開發(fā)者按需拓展指令，這為芯片研發(fā)提供了更高的自由度。
從性能角度看，RISC-V架構(gòu)內(nèi)核的性能可與ARM內(nèi)核性能抗衡。
從IP開發(fā)角度看，要把核心技術(shù)掌握在自己手里，堅持IP核心自主研發(fā)的技術(shù)路線，RISC-V架構(gòu)則提供了這一可能，不用考慮可能面臨的授權(quán)風(fēng)險。
AI正在從云端智能下沉到邊緣端和設(shè)備端，面對客制化應(yīng)用場景，如何設(shè)計體系架構(gòu)才能實現(xiàn)高性能和低功耗成為整個業(yè)界都在探索的問題，除了通過研發(fā)先進(jìn)工藝降低邊緣端功耗、芯片設(shè)計全流程的系統(tǒng)外，基于RISC-V的架構(gòu)上創(chuàng)新也是一條可取之路。
筆者認(rèn)為：不遠(yuǎn)的將來，RISC-V會跟X86、ARM形成三足鼎立的格局，大概率成為繼X86和ARM架構(gòu)之外，處理器架構(gòu)的第三級（甚至是第二級）。
03 本次調(diào)查中 RISC-V 陣營最多采用者：Andes 晶心科技
身為RISC-V協(xié)會創(chuàng)始首席會員的晶心科技（Andes Technology）成立于2005年，Andes從早期擁有自己的第三代ISA架構(gòu)到轉(zhuǎn)到RISC-V。Andes晶心科技是老牌的處理器內(nèi)核企業(yè)，擁有一定的客戶積累和市場經(jīng)驗，根據(jù)本次調(diào)查，工程師在選擇IP時，最看重的首推「過去在IP上成功的案例」，處理器搭建是復(fù)雜的工程，晶心科技累計十?dāng)?shù)年的經(jīng)驗?zāi)軌蛱峁┛蛻籼峁╊~外的幫助。
據(jù)筆者了解，Andes目前的研發(fā)人力幾乎全數(shù)投入RISC-V 系統(tǒng)，從入門到高效能運算，從32到64位，Andes 擁有較為完整的嵌入式RISC-V CPU IP產(chǎn)品組合，可對標(biāo)ARM的 M0到A55。
Andes的集成開發(fā)環(huán)境--AndeSight™，晶心科技基于AndesCore®整合平臺提供創(chuàng)新的嵌入式微處理器和SoC平臺解決方案。把軟件工具鏈、虛擬開發(fā)平臺、硬件開發(fā)平臺及Andes處理器核整合在一起，呈現(xiàn)給客戶一個開發(fā)SoC及系統(tǒng)解決方案所需要的基礎(chǔ)環(huán)境，能協(xié)助并簡化嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，并為客戶提供多功能的整合環(huán)境，包括出色的工具鏈與函數(shù)庫、自動化操作腳本、AndeSim™近周期仿真器、方便的除錯工具、分析工具以及操作系統(tǒng)感知開發(fā)。而且，AndeSight™也提供豐富的參考程序代碼、優(yōu)化程序庫，讓開發(fā)者可以輕松上手。
據(jù)了解，目前采用Andes核心的大廠客戶，在手機方面包括聯(lián)發(fā)科；MCU方面包括瑞薩電子、上海先楫半導(dǎo)體；在AI方面有希姆計算、韓國的SK telecom；在存儲方面包括Phison等等，而使用Andes核心量產(chǎn)的客戶，已經(jīng)應(yīng)用的制程從5nm到40nm均有，全球客戶采用AndesCore® CPU累計出貨已超過一百億顆芯片量產(chǎn)。
Andes也提供整合開發(fā)多功能的Andes Custom Extension™ (ACE)，在ACE的架構(gòu)下，SoC設(shè)計者可以輕松且有效率地在Andes RISC-V處理器核心上定義新指令來加速目標(biāo)應(yīng)用程序，即透過ACE的簡易腳本程序來描述指令的輸入輸出和功能，及使用ACE的精簡Verilog來定義指令在RTL層級的實現(xiàn)方式。根據(jù)上述的設(shè)計數(shù)據(jù)，功能強大的COPILOT (Custom-OPtimized Instruction deveLOpment Tools)工具可以自動生成擴(kuò)展晶心處理器所需的所有新組件，包括處理器的RTL、編譯工具、調(diào)試器、整合開發(fā)環(huán)境和近似精確周期 (near cycle-accurate)的模擬器，以支持客制化的新指令。
而針對IoT或工業(yè)計算機等需要針對特定場域設(shè)計的項目，Andes也提供客制化工程服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容有AndesCore®設(shè)計及驗證、FPGA原型設(shè)計及驗證、SoC前段設(shè)計及驗證、以及軟硬件IP設(shè)計等。
此外，還有AndesBoardFarm，一個云端服務(wù)可以提供SoC設(shè)計人員從自己的計算機遠(yuǎn)程取得晶心FPGA開發(fā)板及管理軟件的系列工具，讓他們能立即體驗開發(fā)AndesCore® RISC-V處理器。藉由使用晶心所提供的全面整合開發(fā)環(huán)境AndeSight™，設(shè)計人員可以透過網(wǎng)絡(luò)以晶心最新的CPU核心運行他們的軟件，進(jìn)行性能測試并直接獲得結(jié)果；同時，還可以探索晶心所提供的各種軟硬件的功能。工程師善用AndesBoardFarm的服務(wù)，將大幅減少評估RISC-V處理器的時間和精力，為他們的SoC選擇最佳的RISC-V CPU核心。
Andes的產(chǎn)品的也包括完整的售后服務(wù)，包括Andes e-Service及技術(shù)咨詢服務(wù)，客戶可透過Andes e-Service系統(tǒng)快速的提出服務(wù)要求，有效率地與晶心的客服工程師溝通，并且有系統(tǒng)地追蹤服務(wù)的進(jìn)度及質(zhì)量。客戶可聯(lián)絡(luò)晶心的業(yè)務(wù)或技術(shù)服務(wù)人員取得Andes e-Service賬號，在Andes e-Service系統(tǒng)內(nèi)注冊技術(shù)服務(wù)要求。
至于AndesCore®的部分，主要包括高速算力的A系列、一般通用型、支持RTOS應(yīng)用的N系列，支持RISC-V的SIMD / DSP指令集（P擴(kuò)展指令集草案）的D系列、矢量處理器V系列、多核技術(shù)的MP系列，等等，這些嵌入式處理器及相對應(yīng)系統(tǒng)芯片發(fā)展平臺的設(shè)計與發(fā)展，主要的應(yīng)用包括：
- 45系列內(nèi)核均采用有序的8級雙發(fā)射超標(biāo)量技術(shù)，可提升效能適合高度平行運算的應(yīng)用，搭配Coherence Manager和可選用的L2緩存控制器，滿足如AR/VR、人工智能/機器學(xué)習(xí)、5G、車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI）、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、視訊/圖像處理、企業(yè)級儲存裝置、連網(wǎng)裝置等等高負(fù)荷運算需求的應(yīng)用
晶心的V5架構(gòu)，除了符合最新RISC-V擴(kuò)充指令，也支持V5創(chuàng)新功能，包括：
- PowerBrake、QuickNap™
- 可節(jié)省功耗的WFI、提供堆棧上溢/下溢（stack overflow/underflow）保護(hù)的StackSafe™
- 能在RISC-V C擴(kuò)展指令以外進(jìn)一步提高程序代碼密度的CoDense™
Andes的RISC-V CPU內(nèi)核IP已經(jīng)攻破了多個市場，包括IoT邊緣、個人和云數(shù)據(jù)中心。而且，Andes最近成為第一個與SGS-TÜV Saar GmbH合作完成ISO 26262功能安全開發(fā)過程認(rèn)證的RISC-V供應(yīng)商。產(chǎn)品開發(fā)流程經(jīng)過了獨立評估，符合最高ASIL D的CPU內(nèi)核開發(fā)要求。
04 車規(guī)級產(chǎn)品 Andes 遙遙領(lǐng)先
Andes已成為首家獲SGS-TU?V Saar認(rèn)證ISO 26262功能安全 ASIL D等級完整開發(fā)流程的RISC-V CPU供貨商。Andes的第一款功能安全I(xiàn)P N25F-SE，已有多家客戶加入先期計劃導(dǎo)入設(shè)計，針對多種車載應(yīng)用開發(fā)車用SoC。該功能安全I(xiàn)P解決方案將在今年下半年正式開放對外授權(quán)。
2022年2月24日晶心科技宣布已通過ISO 26262認(rèn)證，符合車用功能安全處理器內(nèi)核開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。德國功能安全認(rèn)證機構(gòu)SGS-TÜV Saar GmbH進(jìn)行獨立評估后，確認(rèn)晶心系統(tǒng)性的開發(fā)能力已達(dá)到汽車安全完整性等級(Automotive Safety Integrity Level；ASIL)的最高等級ASIL D，這包括ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)Part 2、4、5、6、8 和 9等所有適用的章節(jié)。根據(jù)正式記錄，在2020年12月晶心成為第一家同時獲得硬件(ISO 26262-5)和軟件(ISO 26262-6)流程認(rèn)證的RISC-V處理器IP供貨商。
相對于其他消費級工業(yè)電子組件，汽車電子組件需要面對更苛刻的外部工作環(huán)境，使用壽命要求更長，可靠性和安全性要求更高。車規(guī)芯片和消費芯片有幾個顯著的區(qū)別：
- 設(shè)計目標(biāo)不同：消費類芯片主要考慮性能、功耗和成本（PPA）；車規(guī)芯片還會綜合考慮可靠性、安全性、一致性和長效性
- 工作環(huán)境不同：消費類芯片一般滿足0-70℃環(huán)境溫度，而車規(guī)芯片要滿足-40-105℃的使用溫度要求
- 設(shè)計壽命不同：消費類產(chǎn)品一般不超過5年；汽車設(shè)計壽命是10-15年，汽車芯片壽命也要按此設(shè)計
“車規(guī)認(rèn)證”即是針對這些使用場景特點，對汽車芯片的生產(chǎn)流程和產(chǎn)品設(shè)定了相關(guān)認(rèn)證要求，滿足所有要求，才能通過“車規(guī)認(rèn)證”。而車規(guī)級芯片，是指完全滿足所有“車規(guī)認(rèn)證”要求，并通過第三方認(rèn)證機構(gòu)認(rèn)證的汽車芯片。
ISO 26262：汽車供應(yīng)鏈的“準(zhǔn)入門票”
- ISO 26262則是全面規(guī)范汽車零部件以及芯片功能安全的基本規(guī)則。功能安全強調(diào)的是保障功能正常，不會出現(xiàn)突發(fā)問題，能夠正常報警、安全執(zhí)行，是能力層面的保障
- 業(yè)內(nèi)對于功能安全的認(rèn)證較多使用ISO 26262《道路車輛功能安全》國際標(biāo)準(zhǔn)。所以通過這一標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，也已成為時下汽車供應(yīng)鏈廠商們的準(zhǔn)入規(guī)則
- ISO 26262除了關(guān)注控制隨機硬件失效外，還關(guān)注避免系統(tǒng)性失效的發(fā)生
- ISO 26262功能安全認(rèn)證分為功能安全流程認(rèn)證和功能安全產(chǎn)品認(rèn)證
ISO 26262是全球車用電機及電子產(chǎn)業(yè)共同一致適用的標(biāo)準(zhǔn)，晶心藉由通過ISO 26262的認(rèn)證，充分展現(xiàn)對于車用產(chǎn)品安全的支持與投入。
“晶心科技是通過SGS-TÜV Saar的ISO 26262認(rèn)證的一流公司，”SGS 互聯(lián)與產(chǎn)品事業(yè)群郭耀文副總裁表示。“功能安全的基礎(chǔ)建立在產(chǎn)品規(guī)范、設(shè)計、實施、整合、驗證和確認(rèn)等基礎(chǔ)操作上。在通過ISO 26262認(rèn)證前，晶心在這些開發(fā)流程上早已建立了相當(dāng)完整且扎實的質(zhì)量管理系統(tǒng)。除此之外，他們經(jīng)驗豐富的安全工程專業(yè)人員付出了相當(dāng)多的時間和努力，來建構(gòu)起晶心科技一套遵循ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的完整系統(tǒng)。這些都是我們之所以能夠按預(yù)定時程非常順利完成所有獨立評估和認(rèn)證的原因，這對雙方來說是一次非凡的經(jīng)歷。”
“SGS-TÜV Saar的認(rèn)證服務(wù)獲信譽卓著的德國認(rèn)可委員會(DAkkS)認(rèn)證。我們進(jìn)行了多次全面審查，確認(rèn)晶心科技已內(nèi)化并遵循系統(tǒng)性的功能安全要求來建構(gòu)其開發(fā)管理系統(tǒng)，管控的流程能兼顧充分的查核及落實實施的平衡性，符合了ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的最高等級(ASIL D)產(chǎn)品開發(fā)的規(guī)范要求。”SGS-TÜV Saar GmbH半導(dǎo)體功能安全產(chǎn)品經(jīng)理Wolfgang Ruf表示。“我們在此致上誠摯的祝賀，也歡迎晶心在完成RISC-V CPU IP系列評估和驗證后將其產(chǎn)品導(dǎo)入車用領(lǐng)域。”
“晶心科技深耕十七年，專注于開發(fā)強大的AndesCore®處理器系列，獲得數(shù)百家客戶采用于超過百億顆芯片中，應(yīng)用范圍包括工業(yè)用MCU、企業(yè)級存儲設(shè)備、5G基站和數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施等等。”晶心科技總經(jīng)理暨首席技術(shù)官蘇泓萌表示。“隨著車用電子組件的數(shù)量和復(fù)雜度快速增長，其安全性、可用性和穩(wěn)定性對于人類福祉和可持續(xù)環(huán)境至關(guān)重要。此趨勢對我們來說是絕佳的機會和責(zé)任，我們對這相當(dāng)重視。晶心選擇與業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者SGS-TÜV Saar合作，以確保我們的開發(fā)過程全面符合所有適用的ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)，而不是僅符合部分條款便宣稱適用車用標(biāo)準(zhǔn)。這充分展現(xiàn)我們對于車用電機和電子供應(yīng)鏈嚴(yán)格且富挑戰(zhàn)性的要求所付出的決心。”
