國產晶片四大件之：全球首款RISC-V DSP即將量產
2020年8月國務院印發的《新時期促進積體電路產業和軟體產業高品質發展的若干政策》提出，中國晶片自給率要在2025年達到70%。被稱為國產晶片「四大件」的CPU、GPU、FPGA、DSP無論對於國產晶片自給率的提升還是解決高端晶片「卡脖子」問題都意義深遠。
雷鋒網推出《國產晶片四大件》系列文章，分別解讀國產CPU、GPU、FPGA、DSP的現狀，透過投資者視角發現國產晶片機遇。
2010年誕生的最「年輕」指令集RISC-V已經吸引了眾多巨頭支援者，比如國外的Google、高通、西部數據，中國的阿里、華為、紫光展銳。
近幾年，開源的RISC-V指令集晶片在IoT市場已經取得了不錯的成績，給這一市場佔有優勢的ARM帶來不小壓力。
Semico Research 預計，2025年全球將有624億個RISC-V CPU核心。
RISC-V指令集不僅可以用於CPU，全球首款基於RISC-V指令集的DSP（Digital Signal Processor，數字訊號處理器）將在本月底量產，該晶片來自中國初創公司中科昊芯。
對於RISC-V陣營而言，這是生態建設中一個值得關注的進展。對於DSP晶片而言，這是一個大膽的嘗試。對於中國的國產晶片四大件而言，這是一個突破的機會。
全球首款RISC-V DSP面向工業自動化市場
根據已知的公開消息，中科昊芯是全球第一家用RISC-V指令集設計DSP的公司。
中科昊芯創始人兼董事長李任偉告訴雷鋒網：「我們是中國為數不多的DSP團隊，有十多年DSP和通用處理器研發經驗，在2016年就開始RISC-V處理器核的研究。2019年1月公司成立，7月份首款RISC-V DSP晶片流片成功。」
「3月底我們就會量產兩個系列的DSP，都是面向工業自動化市場。」李任偉透露。
中科昊芯創始人兼董事長李任偉
中科昊芯之所以敢率先選擇RISC-V設計DSP，除了其團隊有成功研發多款處理器的經驗，還因為RISC-V是解決國產DSP兩大挑戰的好選擇。
DSP是一類嵌入式通用可編程微處理器，最大的優勢是能夠實時高速處理數字訊號，且比CPU、GPU、FPGA功耗更低，廣泛應用於通訊、計算、消費電子和自動控制等領域。
「DSP主要有兩種形式，一種是單晶片，另一種是通過IP或模組集成到SoC。」李任偉說：「國產單晶片DSP有一些市佔率，在DSP IP領域國產化率幾乎為零。」
雷鋒網了解到，國產DSP在某些特殊領域的國產化率已經達到80%以上，但這些特殊領域佔DSP整體市場的份額不到5%，其它領域國產DSP自給率不足10%。
提升DSP的自給率，有兩大制約因素。第一個制約因素是知識產權，任何處理器都需要指令集，指令集的問題本質就是知識產權問題。CPU有x86、ARM、MIPS等指令集，其中ARM憑藉授權模式在移動處理器市場稱霸。
「巨頭們的DSP指令集都各不相同，並且不對外授權，國產DSP想要自己定義一套指令集的難度不大，但僅憑一己之力很難構建一整套工具鏈和生態。」李任偉指出。
第二個制約因素是應用生態，如何吸引開發者和客戶使用國產DSP是一個更大的挑戰。
「RISC-V是一個開源指令集，沒有知識產權問題。同時，無論是中國還是國外，企業還是高校，都紛紛加入RISC-V基金會，生態發展很快。」李任偉說：「當時我覺得RISC-V有機會把國產DSP面臨的兩大挑戰完美解決，因此我們在2016年就大膽做了選擇，開始自主研發基於RISC-V的DSP。」
至於為何首先推出面向工業控制市場的RISC-V DSP，主要有三個原因。
解決RISC-V性能弱挑戰，發揮靈活性優勢
「之所以選擇工業自動化和機器視覺這兩個市場，主要是因為我們團隊在這兩個領域無論是技術儲備還是市場推廣方面都有更多積累。」李任偉進一步表示，「當然，這兩個領域我們也會分步走，先推出面向工業自動化的一系列產品，再推出面向機器視覺的產品。」
還有一個原因，消費電子和自動控制市場規模佔到整個DSP市場規模的11%，工業控制市場也是DSP巨頭的重要市場，這是一個好的突破口。
面向這兩個領域的DSP在性能上會有很大的差異，應用於工業自動化的DSP是數字訊號和控制之間的橋樑，更強調實時控制和應用中的變換性能，應用於機器視覺的DSP則需要更強的算力。
高算力對於RISC-V指令集的晶片是個大挑戰。李任偉說：「基於RISC-V指令集的DSP與巨頭公司的DSP在體系結構上有很大的差異，在相同的主頻下，RISC-V指令集的DSP性能與巨頭公司DSP性能有較大差距。」
其本質原因還是傳統的高性能DSP的體系結構是針對DSP演算法設計的，其一條指令可以實現諸多複雜功能，而用RISC-V指令來做相同的事情則需要調用多條指令。
「這對我們而言是非常大的挑戰，憑藉著我們團隊豐富的經驗，在最基礎RISC-V指令集的基礎上，根據演算法的特點，抽取定義了很多DSP指令，再加上體系結構方面的大量創新，最終才設計出性能和功耗優異的DSP。」李任偉表示。
解決了RISC-V帶來的性能挑戰，RISC-V指令集的優勢也得以突顯。「由於我們只是用了最基礎的RISC-V指令集，和自己擴展的指令集，沒有向前兼容的問題，再加上RISC-V本身的功耗優勢，我們的DSP有功耗優勢。」
李任偉同時表示：「正如RISC-V在每個領域都可以發揮訂製化優勢一樣，在DSP領域也同樣如此。我也認為未來會是領域專用架構的時代。」
晶片更高的性價比並不意味著就會受到開發者和用戶的歡迎，應用生態是更大的挑戰。「我經常說我們其實是站在巨人的肩膀上，如果沒有RISC-V社區的貢獻，我們想要做出完整的工具鏈的難度太大。有了開源的方案，就可以在開源的基礎上進行修改和訂製，大大降低難度。」
李任偉說：「為了讓用戶比較方便的切換，我們也做了很多工作，包括開發環境，介面以及介面等，通過編譯器和提供足夠多的庫，用戶基本不用改變習慣就能非常容易地切換到我們的DSP，而且成本很低。」
先以用戶熟悉的方式切換到國產DSP晶片，再逐漸去提升性能，從中低端市場切入，一步步發揮出優勢，實現晶片的高端替代。以中科昊芯為代表的國產DSP晶片公司找到了一條不錯的國產替代路線，但突破挑戰不小，也需要耐心。
國產替代浪潮下突破三大巨頭的統治
「不管哪個領域，不管高端還是中低端，晶片的國產替代最難的都是應用生態。」李任偉認為，「之前中國的用戶即使想用中國的晶片，也沒有選擇。」
如今，國家大力發展國產晶片產業，並提出了明確目標。2020年8月國務院印發的《新時期促進積體電路產業和軟體產業高品質發展的若干政策》提出，中國晶片自給率要在2025年達到70%。
在資金和政策的支援下，包括CPU、GPU、FPGA、DSP在內的國產晶片迎來了巨大的發展機遇，中科昊芯也是在這樣的背景下成立。「對於國產替代更迫切的領域，包括DSP在內的國產晶片的自給率提升會更加容易，比如電力和軌道交通等領域。」李任偉說道。
「除了特定的領域，包括工業自動化等市場，中國用戶對國產晶片的態度也更加開放。從去年到今年，我們明顯感受到客戶接受國產新片的意願越來越強，包容度也更高了。」
對於許多用戶都擔心的國產晶片的穩定性問題，李任偉表示中科昊芯的晶片有嚴格的測試流程，穩定性沒有問題。
國產晶片還有一個優勢，更能滿足中國市場需求。比如越來越受關注的安全性，許多國產晶片都通過硬體的方式增強晶片的安全性。中科昊芯還可以提供訂製化的功能，實現更強的安全性。
還有一個不容忽視的機遇，包括TI、ADI、NXP在內的三大DSP晶片巨頭都普遍缺芯。DSP晶片並不需要業界最先進的7nm、5nm製程，中國的晶片代工廠可以代工，並且晶片的封測大部分也在中國進行。
「如果使用中國成熟的節點，晶片的生產受到的影響會小一些。缺芯對於國產包括DSP在內的國產晶片確實是一個機會。」李任偉說。
小結
與CPU、GPU、FPGA共稱為晶片四大件的DSP由於其專用性更強，無論是市場規模還是受關注度都更小。即便如此，DSP的國產替代對於實現晶片的自主可控和高端替代仍意義重大。
作為中國為數不多的DSP晶片公司之一，中科昊芯選擇的RISC-V指令集能夠解決知識產權和應用生態兩大挑戰。
但正如李任偉對雷鋒網所說，「從最開始定義產品，我們的目標就很明確，同等檔次的產品要比國外巨頭的DSP性價比更高。要達成這個目標的難度挺大。」
值得慶幸的是，中科昊芯去年和今年都有融資，獲得了資本的認可，客戶目前的回饋也非常正面。
保持耐心，抓住機遇，國產晶片的未來值得期待。
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