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2020年8月國務院印發(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年全球將有624億個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)建設中一個值得關注的進展。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?。
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)勢是能夠實時高速處理數(shù)字信號，且比CPU、GPU、FPGA功耗更低，廣泛應用于通信、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領域國產(chǎn)化率幾乎為零?！?/strong>
雷鋒網(wǎng)了解到，國產(chǎn)DSP在某些特殊領域的國產(chǎn)化率已經(jīng)達到80%以上，但這些特殊領域占DSP整體市場的份額不到5%，其它領域國產(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，任何處理器都需要指令集，指令集的問題本質就是知識產(chǎn)權問題。CPU有x86、ARM、MIPS等指令集，其中ARM憑借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，并且不對外授權，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建一整套工具鏈和生態(tài)。”李任偉指出。
第二個制約因素是應用生態(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)權問題。同時，無論是國內還是國外，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。”李任偉說：“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。”
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(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。
面向這兩個領域的DSP在性能上會有很大的差異，應用于工業(yè)自動化的DSP是數(shù)字信號和控制之間的橋梁，更強調實時控制和應用中的變換性能，應用于機器視覺的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(tǒng)的高性能DSP的體系結構是針對DSP算法設計的，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RISC-V指令集的基礎上，根據(jù)算法的特點，抽取定義了很多DSP指令，再加上體系結構方面的大量創(chuàng)新，最終才設計出性能和功耗優(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?！?strong style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">李任偉同時表示：“正如RISC-V在每個領域都可以發(fā)揮定制化優(yōu)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?！?/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
“不管哪個領域，不管高端還是中低端，芯片的國產(chǎn)替代最難的都是應用生態(tài)?！崩钊蝹フJ為，“之前國內的用戶即使想用國內的芯片，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)替代更迫切的領域，包括DSP在內的國產(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域?！崩钊蝹フf道。
“除了特定的領域，包括工業(yè)自動化等市場，國內用戶對國產(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，更能滿足國內市場需求。比如越來越受關注的安全性，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，國內的芯片代工廠可以代工，并且芯片的封測大部分也在國內進行。
“如果使用國內成熟的節(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在內的國產(chǎn)芯片確實是一個機會?！崩钊蝹フf。
4 小結
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)權和應用生態(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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