RISC-V系統(tǒng)設(shè)計(jì)為何突然迎來大爆發(fā)？

在最近由 Andes 主辦的 RISC-V Now 活動(dòng)上，討論強(qiáng)調(diào)了 RISC-V 不再僅僅關(guān)注指令集架構(gòu)優(yōu)勢(shì)或可定制內(nèi)核。真正的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。在這一層面，連接性、集成性和安全性決定了一項(xiàng)創(chuàng)新能否擴(kuò)展。

這種轉(zhuǎn)變反映了一個(gè)更廣泛的現(xiàn)實(shí)：現(xiàn)代片上系統(tǒng)（SoC）不再是簡(jiǎn)單的單體設(shè)計(jì)，而是復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)，必須無縫集成多個(gè)計(jì)算域、存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)和專用加速器。在這種環(huán)境下，RISC-V的成功不僅取決于其開放性，還取決于如何有效地將這種開放性整合到一個(gè)統(tǒng)一高效的系統(tǒng)中。

Arteris 戰(zhàn)略營銷副總裁 Guillaume Boillet 的演講圍繞一個(gè)中心論點(diǎn)展開：RISC-V 的長期成功不僅取決于開放架構(gòu)，還取決于掌握集成、在硬件層面嵌入安全性、采用真正的系統(tǒng)思維以及利用深入的生態(tài)系統(tǒng)協(xié)作。

隱藏的瓶頸：數(shù)據(jù)流動(dòng)和系統(tǒng)復(fù)雜性

本次演講中最引人注目的觀點(diǎn)之一是，計(jì)算能力不再是系統(tǒng)性能的主要瓶頸。相反，數(shù)據(jù)傳輸已成為主要瓶頸。系統(tǒng)的大部分能量都消耗在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)上，尤其是在GPU級(jí)別的SoC中。

這意義深遠(yuǎn)。隨著人工智能 (AI) 和實(shí)時(shí)分析等工作負(fù)載的持續(xù)增長，互連架構(gòu)的效率與計(jì)算引擎本身的性能同等重要。架構(gòu)設(shè)計(jì)必須最大限度地減少延遲、優(yōu)化帶寬并降低在日益復(fù)雜的系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的功耗。

與此同時(shí)，芯片組和多芯片架構(gòu)的興起引入了新的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。過去包含在單個(gè)硅片中的功能，現(xiàn)在必須在多個(gè)互連芯片上運(yùn)行，每個(gè)芯片都可能針對(duì)不同的功能進(jìn)行優(yōu)化。這使得連接性從輔助角色轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵募軜?gòu)支柱。

RISC-V 的承諾與集成現(xiàn)實(shí)

RISC-V 的靈活性是其最大的優(yōu)勢(shì)之一，但也帶來了一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)：集成。能夠混合搭配來自不同來源的 IP 創(chuàng)造了巨大的機(jī)遇，但如果管理不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致碎片化。

現(xiàn)代片上系統(tǒng) (SoC) 通常集成了大量 IP 模塊，每個(gè)模塊都使用不同的通信協(xié)議。將這些模塊整合到一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)中，需要一種強(qiáng)大且適應(yīng)性強(qiáng)的互連策略。否則，RISC-V 的模塊化優(yōu)勢(shì)反而會(huì)成為效率低下和風(fēng)險(xiǎn)的根源。

片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）技術(shù)正是在此發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過提供可擴(kuò)展且可配置的通信骨干網(wǎng)，它們使設(shè)計(jì)人員能夠在保持性能和效率的同時(shí)集成各種不同的組件。互連有效地將系統(tǒng)粘合在一起，確保所有部件盡管存在差異，但仍能可靠地通信。

汽車與人工智能：架構(gòu)壓力測(cè)試

汽車和人工智能應(yīng)用日益增長的需求凸顯了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的重要性。在汽車系統(tǒng)中，尤其是在支持高級(jí)駕駛輔助和自動(dòng)駕駛功能的系統(tǒng)中，架構(gòu)必須能夠處理各種具有不同安全性和性能要求的混合工作負(fù)載。某些功能需要嚴(yán)格的確定性和對(duì)安全標(biāo)準(zhǔn)的遵守，而另一些功能則需要高吞吐量的數(shù)據(jù)處理。

這些系統(tǒng)也在向基于芯片組的實(shí)現(xiàn)方式演進(jìn)，這進(jìn)一步凸顯了可靠且可擴(kuò)展互連的重要性。在這種架構(gòu)中管理相干和非相干數(shù)據(jù)流的能力對(duì)于確保系統(tǒng)完整性和性能至關(guān)重要。

人工智能工作負(fù)載帶來了截然不同但同樣嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著人工智能的日益普及，對(duì)專用加速器的需求也與日俱增。要將這些加速器高效地集成到更廣泛的系統(tǒng)中，需要精心協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)移動(dòng)和內(nèi)存訪問。如果沒有設(shè)計(jì)良好的互連，這些加速器的優(yōu)勢(shì)將大打折扣。

被忽視的風(fēng)險(xiǎn)：硬件安全

另一個(gè)關(guān)鍵主題是硬件安全日益增長的重要性。過去，安全工作主要集中在軟件和網(wǎng)絡(luò)層，但最近出現(xiàn)的漏洞表明，硬件本身也可能成為一個(gè)重要的安全隱患點(diǎn)。

已報(bào)告的硬件漏洞數(shù)量不斷上升，反映出人們對(duì)這一問題的認(rèn)識(shí)日益增強(qiáng)。隨著系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜和互聯(lián)，潛在的攻擊面也隨之?dāng)U大，因此從一開始就從硬件層面解決安全問題至關(guān)重要。

這需要采用新的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，包括在開發(fā)過程早期識(shí)別和緩解漏洞的能力。硬件安全是現(xiàn)代片上系統(tǒng) (SoC) 的基礎(chǔ)要求，而非事后考慮的因素。

生態(tài)系統(tǒng)協(xié)作作為一種倍增效應(yīng)

Andes 與 Arteris 的合作凸顯了生態(tài)系統(tǒng)層面解決方案在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)方面的重要性。通過預(yù)先驗(yàn)證處理器內(nèi)核和互連技術(shù)之間的互操作性，他們降低了集成風(fēng)險(xiǎn)并加快了開發(fā)進(jìn)度。

這種合作模式反映了行業(yè)內(nèi)向平臺(tái)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展的大趨勢(shì)。企業(yè)不再從零開始構(gòu)建系統(tǒng)，而是越來越多地依賴預(yù)先驗(yàn)證的組件，這些組件可以組裝成完整的解決方案。這種方法不僅提高了效率，也增強(qiáng)了芯片一次性成功率的信心。

從組件到系統(tǒng)思維

核心信息是：行業(yè)必須從以組件為中心的思維模式轉(zhuǎn)向以系統(tǒng)為中心的思維模式。如今，要設(shè)計(jì)一款成功的基于 RISC-V 的 SoC，就需要對(duì)系統(tǒng)所有部分的交互方式有全面的了解。

僅僅孤立地優(yōu)化單個(gè)組件已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。設(shè)計(jì)人員必須考慮數(shù)據(jù)如何在系統(tǒng)中流動(dòng)，不同子系統(tǒng)如何通信，以及如何在各個(gè)層面上落實(shí)安全措施。這種視角轉(zhuǎn)變對(duì)于應(yīng)對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)的復(fù)雜性至關(guān)重要。

總結(jié)

RISC-V 架構(gòu)在新環(huán)境中具備蓬勃發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，但其成功不僅僅取決于其開放式架構(gòu)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，連接性、集成性和安全性方面的重要作用日益凸顯，RISC-V 還需要強(qiáng)大的解決方案來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

RISC-V的未來不僅取決于其靈活性，更取決于其構(gòu)建完整、可擴(kuò)展且安全系統(tǒng)的能力。那些擁抱這種系統(tǒng)級(jí)方法的人，將更有能力引領(lǐng)下一波半導(dǎo)體創(chuàng)新浪潮。

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