芯耀
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原標題：中國IC設計調(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，成為最大宗的進口產(chǎn)品。
芯片設計位于半導體產(chǎn)業(yè)的最上游，是半導體產(chǎn)業(yè)最核心的基礎，擁有極高的技術壁壘，需要大量的人力、物力投入，需要較長時間的技術積累和經(jīng)驗沉淀。而半導體知識產(chǎn)權的集中體現(xiàn)是享有獨立知識產(chǎn)權的IP 核（Intellectual Property Core）。
什么是IP核？
IP核是芯片設計環(huán)節(jié)中逐步分離出來的、經(jīng)過驗證的、可重復使用的功能模塊，通過使用IP核，設計人員無需從0開始對所有細節(jié)進行重新設計，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計，以縮短開發(fā)周期，降低設計成本，降低設計錯誤發(fā)生的風險，提高芯片設計效率。
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不同客戶實現(xiàn)復用。如果做一個比喻，那IP就是組成芯片設計的“樂高”模塊。
那么IC設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的半導體工藝設計套件(PDK/FDK)重新完成設計和硅驗證。
IC設計工程師可以選擇的IP供應商越來越多，在調(diào)查列出的20多家IP核供應商中，從IP使用量的角度來看，Arm依然是最受歡迎的IP供應商，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)核的關注度這兩年一直在漲，也與中國推進芯片產(chǎn)業(yè)自主可控有關，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)了作為新架構的生命力。
影響指令集架構發(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
政策驅動，集成電路產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展機遇
新一代信息技術加速滲透，新興領域對芯片提出了更高的需求
- 內(nèi)部因素
從產(chǎn)業(yè)內(nèi)部角度來看，主流指令集架構復雜，硬件實現(xiàn)難度大
授權費用高企，芯片企業(yè)成本居高不下
RISC-V首席技術官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構：
- RISC-V ISA是完全開源的，任何人都可以免費使用
RISC-V架構本身開源，但基于RISC-V架構開發(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、售后服務等
- 一種精簡的指令集計算機（RISC）架構
只有47條指令，相比之下，Arm有200多條指令
AMD和Intel使用的復雜指令集計算機（CISC）架構遠超過1500條指令
- 可擴展性
模塊化設計，只配置需要的部分嚴格規(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。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，RISC-V最大的特點是——“開放標準化”，這種開放性，在CPU領域是徹底的第一次，也是CPU技術變革的一次絕佳機遇。
在很長一段時間里，x86和ARM兩大架構各有所專，一個聚焦服務器、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也開始進入PC及服務器市場，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進入高性能計算市場的可能。
天下苦ARM久矣，當前市場整合、避免單一架構寡占、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年代以來芯片架構多樣性消失之后，再次推動架構多樣性的好機會。
在數(shù)據(jù)中心，服務器越來越以業(yè)務負載為中心，并且激增了大量的應用專用處理器來加速業(yè)務負載和提高效率。芯片更加多樣化也為各種處理器架構創(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、機器學習、深度學習等領域的應用，目前有141家會員單位從事RISC-V數(shù)據(jù)庫、基準測試和應用的開發(fā)。
從競爭性角度看，Arm架構和x86架構分別在移動終端、PC和服務器市場壟斷多年，在這些領域RISC-V新玩家滲透進去還非常需要時日。但在AIoT、新能源汽車電子、異構計算等新興領域，RISC-V和其他架構站在同一起跑線，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，意味著初創(chuàng)公司可以在AI芯片研發(fā)過程中節(jié)省IP授權成本，將資源投入到最核心的技術研發(fā)，幫助公司加快芯片的迭代速度，靈活應對市場環(huán)境的變化。
從技術趨勢角度看，RISC-V架構開源、精簡和模塊化的理念符合未來的技術發(fā)展趨勢。計算體系結構宗師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構的兩個機遇，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，基礎指令只有幾十條，學習門檻相對較低；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，要把核心技術掌握在自己手里，堅持IP核心自主研發(fā)的技術路線，RISC-V架構則提供了這一可能，不用考慮可能面臨的授權風險。
AI正在從云端智能下沉到邊緣端和設備端，面對客制化應用場景，如何設計體系架構才能實現(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)先進工藝降低邊緣端功耗、芯片設計全流程的系統(tǒng)外，基于RISC-V的架構上創(chuàng)新也是一條可取之路。
筆者認為：不遠的將來，RISC-V會跟X86、ARM形成三足鼎立的格局，大概率成為繼X86和ARM架構之外，處理器架構的第三級（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架構到轉到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」，處理器搭建是復雜的工程，晶心科技累計十數(shù)年的經(jīng)驗能夠提供客戶提供額外的幫助。
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的架構下，SoC設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應用程序，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計的項目，Andes也提供客制化工程服務，服務內(nèi)容有AndesCore®設計及驗證、FPGA原型設計及驗證、SoC前段設計及驗證、以及軟硬件IP設計等。
此外，還有AndesBoardFarm，一個云端服務可以提供SoC設計人員從自己的計算機遠程取得晶心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™，設計人員可以透過網(wǎng)絡以晶心最新的CPU核心運行他們的軟件，進行性能測試并直接獲得結果；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，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，包括Andes e-Service及技術咨詢服務，客戶可透過Andes e-Service系統(tǒng)快速的提出服務要求，有效率地與晶心的客服工程師溝通，并且有系統(tǒng)地追蹤服務的進度及質量?？蛻艨陕?lián)絡晶心的業(yè)務或技術服務人員取得Andes e-Service賬號，在Andes e-Service系統(tǒng)內(nèi)注冊技術服務要求。
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應用的N系列，支持RISC-V的SIMD / DSP指令集（P擴展指令集草案）的D系列、矢量處理器V系列、多核技術的MP系列，等等，這些嵌入式處理器及相對應系統(tǒng)芯片發(fā)展平臺的設計與發(fā)展，主要的應用包括：
- 45系列內(nèi)核均采用有序的8級雙發(fā)射超標量技術，可提升效能適合高度平行運算的應用，搭配Coherence Manager和可選用的L2緩存控制器，滿足如AR/VR、人工智能/機器學習、5G、車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI）、先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、視訊/圖像處理、企業(yè)級儲存裝置、連網(wǎng)裝置等等高負荷運算需求的應用
晶心的V5架構，除了符合最新RISC-V擴充指令，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）保護的StackSafe™
- 能在RISC-V C擴展指令以外進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)過程認證的RISC-V供應商。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 遙遙領先
Andes已成為首家獲SGS-TU?V Saar認證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IP N25F-SE，已有多家客戶加入先期計劃導入設計，針對多種車載應用開發(fā)車用SoC。該功能安全IP解決方案將在今年下半年正式開放對外授權。
2022年2月24日晶心科技宣布已通過ISO 26262認證，符合車用功能安全處理器內(nèi)核開發(fā)標準。德國功能安全認證機構SGS-TÜV Saar GmbH進行獨立評估后，確認晶心系統(tǒng)性的開發(fā)能力已達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標準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：
- 設計目標不同：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
- 設計壽命不同：消費類產(chǎn)品一般不超過5年；汽車設計壽命是10-15年，汽車芯片壽命也要按此設計
“車規(guī)認證”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)品設定了相關認證要求，滿足所有要求，才能通過“車規(guī)認證”。而車規(guī)級芯片，是指完全滿足所有“車規(guī)認證”要求，并通過第三方認證機構認證的汽車芯片。
ISO 26262：汽車供應鏈的“準入門票”
- 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)對于功能安全的認證較多使用ISO 26262《道路車輛功能安全》國際標準。所以通過這一標準的認證，也已成為時下汽車供應鏈廠商們的準入規(guī)則
- ISO 26262除了關注控制隨機硬件失效外，還關注避免系統(tǒng)性失效的發(fā)生
- ISO 26262功能安全認證分為功能安全流程認證和功能安全產(chǎn)品認證
ISO 26262是全球車用電機及電子產(chǎn)業(yè)共同一致適用的標準，晶心藉由通過ISO 26262的認證，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。“功能安全的基礎建立在產(chǎn)品規(guī)范、設計、實施、整合、驗證和確認等基礎操作上。在通過ISO 26262認證前，晶心在這些開發(fā)流程上早已建立了相當完整且扎實的質量管理系統(tǒng)。除此之外，他們經(jīng)驗豐富的安全工程專業(yè)人員付出了相當多的時間和努力，來建構起晶心科技一套遵循ISO 26262標準的完整系統(tǒng)。這些都是我們之所以能夠按預定時程非常順利完成所有獨立評估和認證的原因，這對雙方來說是一次非凡的經(jīng)歷。”
“SGS-TÜV Saar的認證服務獲信譽卓著的德國認可委員會(DAkkS)認證。我們進行了多次全面審查，確認晶心科技已內(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標準的最高等級(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)品導入車用領域。”
“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，應用范圍包括工業(yè)用MCU、企業(yè)級存儲設備、5G基站和數(shù)據(jù)中心基礎設施等等。”晶心科技總經(jīng)理暨首席技術官蘇泓萌表示。“隨著車用電子組件的數(shù)量和復雜度快速增長，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)境至關重要。此趨勢對我們來說是絕佳的機會和責任，我們對這相當重視。晶心選擇與業(yè)界領導者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功能安全標準，而不是僅符合部分條款便宣稱適用車用標準。這充分展現(xiàn)我們對于車用電機和電子供應鏈嚴格且富挑戰(zhàn)性的要求所付出的決心。”
