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2020年8月國務(wù)院印發(fā)的《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》提出，中國芯片自給率要在2025年達到70%。被稱為國產(chǎn)芯片“四大件”的CPU、GPU、FPGA、DSP無論對于國產(chǎn)芯片自給率的提升還是解決高端芯片“卡脖子”問題都意義深遠。
雷鋒網(wǎng)推出的《國產(chǎn)芯片四大件》系列文章，分別解讀國產(chǎn)CPU、GPU、FPGA、DSP的現(xiàn)狀，透過投資者視角發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)芯片機遇。
2010年誕生的最“年輕”指令集RISC-V已經(jīng)吸引了眾多巨頭支持者，比如國外的谷歌、高通、西部數(shù)據(jù)，國內(nèi)的阿里、華為、紫光展銳。近幾年，開源的RISC-V指令集芯片在IoT市場已經(jīng)取得了不錯的成績，給這一市場占有優(yōu)勢的ARM帶來不小壓力。
Semico Research 預計，2025年全球?qū)⒂?24億個RISC-V CPU核心。RISC-V指令集不僅可以用于CPU，全球首款基于RISC-V指令集的DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器）將在本月底量產(chǎn)，該芯片來自中國初創(chuàng)公司中科昊芯。
對于RISC-V陣營而言，這是生態(tài)建設(shè)中一個值得關(guān)注的進展。對于DSP芯片而言，這是一個大膽的嘗試。對于中國的國產(chǎn)芯片四大件而言，這是一個突破的機會。
1 全球首款RISC-V DSP面向 工業(yè)自動化市場
根據(jù)已知的公開消息，中科昊芯是全球第一家用RISC-V指令集設(shè)計DSP的公司。中科昊芯創(chuàng)始人兼董事長李任偉告訴雷鋒網(wǎng)：“我們是國內(nèi)為數(shù)不多的DSP團隊，有十多年DSP和通用處理器研發(fā)經(jīng)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芯片流片成功?！?/strong>
“3月底我們就會量產(chǎn)兩個系列的DSP，都是面向工業(yè)自動化市場?！崩钊蝹ネ嘎丁?/strong>
中科昊芯創(chuàng)始人兼董事長李任偉
中科昊芯之所以敢率先選擇RISC-V設(shè)計DSP，除了其團隊有成功研發(fā)多款處理器的經(jīng)驗，還因為RISC-V是解決國產(chǎn)DSP兩大挑戰(zhàn)的好選擇。DSP是一類嵌入式通用可編程微處理器，最大的優(yōu)勢是能夠?qū)崟r高速處理數(shù)字信號，且比CPU、GPU、FPGA功耗更低，廣泛應(yīng)用于通信、計算、消費電子和自動控制等領(lǐng)域。
“DSP主要有兩種形式，一種是單芯片，另一種是通過IP或模塊集成到SoC?！崩钊蝹フf：“國產(chǎn)單芯片DSP有一些市占率，在DSP IP領(lǐng)域國產(chǎn)化率幾乎為零。”
雷鋒網(wǎng)了解到，國產(chǎn)DSP在某些特殊領(lǐng)域的國產(chǎn)化率已經(jīng)達到80%以上，但這些特殊領(lǐng)域占DSP整體市場的份額不到5%，其它領(lǐng)域國產(chǎn)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(chǎn)權(quán)，任何處理器都需要指令集，指令集的問題本質(zhì)就是知識產(chǎn)權(quán)問題。CPU有x86、ARM、MIPS等指令集，其中ARM憑借授權(quán)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，并且不對外授權(quán)，國產(chǎn)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(gòu)建一整套工具鏈和生態(tài)?！崩钊蝹ブ赋觥?/span>
第二個制約因素是應(yīng)用生態(tài)，如何吸引開發(fā)者和客戶使用國產(chǎn)DSP是一個更大的挑戰(zhàn)。
“RISC-V是一個開源指令集，沒有知識產(chǎn)權(quán)問題。同時，無論是國內(nèi)還是國外，企業(yè)還是高校，都紛紛加入RISC-V基金會，生態(tài)發(fā)展很快?！崩钊蝹フf：“當時我覺得RISC-V有機會把國產(chǎn)DSP面臨的兩大挑戰(zhàn)完美解決，因此我們在2016年就大膽做了選擇，開始自主研發(fā)基于RISC-V的DSP?！?/strong>
至于為何首先推出面向工業(yè)控制市場的RISC-V DSP，主要有三個原因。
2 解決RISC-V性能弱挑戰(zhàn)， 發(fā)揮靈活性優(yōu)勢
“之所以選擇工業(yè)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(lǐng)域無論是技術(shù)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(lǐng)域我們也會分步走，先推出面向工業(yè)自動化的一系列產(chǎn)品，再推出面向機器視覺的產(chǎn)品?！?/strong>
還有一個原因，消費電子和自動控制市場規(guī)模占到整個DSP市場規(guī)模的11%，工業(yè)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(lǐng)域的DSP在性能上會有很大的差異，應(yīng)用于工業(yè)自動化的DSP是數(shù)字信號和控制之間的橋梁，更強調(diào)實時控制和應(yīng)用中的變換性能，應(yīng)用于機器視覺的DSP則需要更強的算力。
高算力對于RISC-V指令集的芯片是個大挑戰(zhàn)。李任偉說：“基于RISC-V指令集的DSP與巨頭公司的DSP在體系結(jié)構(gòu)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?！?/strong>
其本質(zhì)原因還是傳統(tǒng)的高性能DSP的體系結(jié)構(gòu)是針對DSP算法設(shè)計的，其一條指令可以實現(xiàn)諸多復雜功能，而用RISC-V指令來做相同的事情則需要調(diào)用多條指令。“這對我們而言是非常大的挑戰(zhàn)，憑借著我們團隊豐富的經(jīng)驗，在最基礎(chǔ)RISC-V指令集的基礎(chǔ)上，根據(jù)算法的特點，抽取定義了很多DSP指令，再加上體系結(jié)構(gòu)方面的大量創(chuàng)新，最終才設(shè)計出性能和功耗優(yōu)異的DSP。”李任偉表示。
解決了RISC-V帶來的性能挑戰(zhàn)，RISC-V指令集的優(yōu)勢也得以突顯。“由于我們只是用了最基礎(chǔ)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(yōu)勢，我們的DSP有功耗優(yōu)勢。”李任偉同時表示：“正如RISC-V在每個領(lǐng)域都可以發(fā)揮定制化優(yōu)勢一樣，在DSP領(lǐng)域也同樣如此。我也認為未來會是領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)的時代?！?/strong>
芯片更高的性價比并不意味著就會受到開發(fā)者和用戶的歡迎，應(yīng)用生態(tài)是更大的挑戰(zhàn)?！拔医?jīng)常說我們其實是站在巨人的肩膀上，如果沒有RISC-V社區(qū)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(chǔ)上進行修改和定制，大大降低難度?！?/span>
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(fā)環(huán)境，界面以及接口等，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(chǎn)DSP芯片，再逐漸去提升性能，從中低端市場切入，一步步發(fā)揮出優(yōu)勢，實現(xiàn)芯片的高端替代。以中科昊芯為代表的國產(chǎn)DSP芯片公司找到了一條不錯的國產(chǎn)替代路線，但突破挑戰(zhàn)不小，也需要耐心。
3 國產(chǎn)替代浪潮下突破 三大巨頭的統(tǒng)治
“不管哪個領(lǐng)域，不管高端還是中低端，芯片的國產(chǎn)替代最難的都是應(yīng)用生態(tài)?！崩钊蝹フJ為，“之前國內(nèi)的用戶即使想用國內(nèi)的芯片，也沒有選擇?！?/strong>
如今，國家大力發(fā)展國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)，并提出了明確目標。2020年8月國務(wù)院印發(fā)的《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》提出，中國芯片自給率要在2025年達到70%。
在資金和政策的支持下，包括CPU、GPU、FPGA、DSP在內(nèi)的國產(chǎn)芯片迎來了巨大的發(fā)展機遇，中科昊芯也是在這樣的背景下成立?！皩τ趪a(chǎn)替代更迫切的領(lǐng)域，包括DSP在內(nèi)的國產(chǎn)芯片的自給率提升會更加容易，比如電力和軌道交通等領(lǐng)域。”李任偉說道。
“除了特定的領(lǐng)域，包括工業(yè)自動化等市場，國內(nèi)用戶對國產(chǎn)芯片的態(tài)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(chǎn)芯片的意愿越來越強，包容度也更高了?！?/strong>
對于許多用戶都擔心的國產(chǎn)芯片的穩(wěn)定性問題，李任偉表示中科昊芯的芯片有嚴格的測試流程，穩(wěn)定性沒有問題。
國產(chǎn)芯片還有一個優(yōu)勢，更能滿足國內(nèi)市場需求。比如越來越受關(guān)注的安全性，許多國產(chǎn)芯片都通過硬件的方式增強芯片的安全性。中科昊芯還可以提供定制化的功能，實現(xiàn)更強的安全性。
還有一個不容忽視的機遇，包括TI、ADI、NXP在內(nèi)的三大DSP芯片巨頭都普遍缺芯。DSP芯片并不需要業(yè)界最先進的7nm、5nm工藝，國內(nèi)的芯片代工廠可以代工，并且芯片的封測大部分也在國內(nèi)進行。
“如果使用國內(nèi)成熟的節(jié)點，芯片的生產(chǎn)受到的影響會小一些。缺芯對于國產(chǎn)包括DSP在內(nèi)的國產(chǎn)芯片確實是一個機會?！崩钊蝹フf。
4 小結(jié)
與CPU、GPU、FPGA共稱為芯片四大件的DSP由于其專用性更強，無論是市場規(guī)模還是受關(guān)注度都更小。即便如此，DSP的國產(chǎn)替代對于實現(xiàn)芯片的自主可控和高端替代仍意義重大。作為國內(nèi)為數(shù)不多的DSP芯片公司之一，中科昊芯選擇的RISC-V指令集能夠解決知識產(chǎn)權(quán)和應(yīng)用生態(tài)兩大挑戰(zhàn)。
但正如李任偉對雷鋒網(wǎng)所說，“從最開始定義產(chǎn)品，我們的目標就很明確，同等檔次的產(chǎn)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?！?/strong>
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，客戶目前的反饋也非常正面。
保持耐心，抓住機遇，國產(chǎn)芯片的未來值得期待。
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