隼瞻科技：RISC-V在智能汽车领域的探索与落地

2024年11月15日，在第四届汽车芯片产业大会上，隼瞻科技联合创始人兼CTO姚彦斌表示，RISC-V作为一种精简指令集架构，自诞生以来已经历了十多年的发展，并逐渐从学术研究走向商业化落地。特别是在中国，近年来RISC-V生态蓬勃发展，会员数量快速增长，技术规范不断完善。隼瞻科技也积极参与其中，努力探索如何将RISC-V应用于智能汽车领域，为行业带来更多价值。 

姚彦斌强调，虽然RISC-V在成本控制、灵活性等方面具有优势，但也存在指令集简洁导致的功能不足、生态碎片化等问题。汽车电子架构的演变和智能汽车的发展对处理器架构提出了新的挑战和要求。隼瞻科技针对这些挑战，提出了轻量化的虚拟化技术、实时处理增强技术等创新方案，以满足车辆对实时性和确定性的高要求。 

姚彦斌｜隼瞻科技联合创始人兼CTO

以下为演讲内容整理：

公司简介

隼瞻科技是一家提供专用处理器IP和EDA处理器设计平台的创新型高科技公司，为行业提供面向DSA的RISC-V专用处理器解决方案。公司凭借处理器核、EDA处理器设计平台、跨平台软件生态移植解决方案等优势，推出多种模式结合的IP定制开发解决方案，涵盖高中低端专用处理器门类，可广泛应用于AIOT、DSP、5G网络、汽车电子、人工智能、高算力运算等多种复杂芯片解决方案。我们目前有四个分公司，分别位于南京、上海、深圳、珠海。

RISC-V的“前世今生”

2010年，RISC-V架构诞生于UC Berkeley。2011年，RISC-V架构开源，第一个基于RISC-V架构的芯片投片。2015年，RISC-V基金会成立，这一事件极具标志性，代表其从一个学校项目向商业化落地。2015年到2018年可以视为RISC-V的成长阶段。而在2018年，发生了两个标志性事件：一是中国开放指令生态联盟成立，中国众多企业于2018年至2019年期间开始积极投身于RISC-V的商业化实践；二是RISC-V基金会与Linux基金会协作，标志着RISC-V走向比较成熟的状态，规范化运作。2020年，受政治风险影响，RISC-V基金会从美国迁往瑞士，开始蓬勃发展。

图源：演讲嘉宾素材

从RISC-V的发展历程来看，近四年间，RISC-V的会员数量实现了高速增长。截至目前，RISC-V已有超4300名会员，涵盖了研究机构、企业公司以及众多个人会员，他们共同参与并推动着整个生态体系的建设与发展。过去两年，RISC-V已批准了40项新技术的规范。目前，RISC-V已设有75个技术规范组，致力于推动更多新规范的出台。显然，RISC-V现已迈入了一个快速发展的新阶段。在此背景下，我们也在深入思考，如何在这一方向上为汽车领域带来更多价值。

RISC-V的发展潜力

从未来发展的视角来看，RISC-V展现出极为可观的发展潜力。有机构预测，RISC-V市场收入预计到2030年将以47.4%的复合年增长率增长，总市场收入达到920亿美元规模。在RISC-V的应用领域中，自动驾驶占据了举足轻重的地位。

图源：演讲嘉宾素材

前期，RISC-V在IoT领域实现了迅猛的发展，而当前，在高性能计算、AI以及车规领域，RISC-V亦展现出良好的落地应用趋势。

RISC-V的未来发展

为何选择RISC-V？普遍而言，选择RISC-V的原因主要基于两点：一是自主可控，二是成本效益。然而，相较于其他架构，RISC-V是否还具备其他先天优势呢？有人或许认为RISC-V的指令集相对简洁，但这实际上可能反映了RISC-V在某些方面存在先天不足，即缺乏某些高级特性，这可能在一定程度上限制了其在其他领域的落地与开发。

我们时常提及RISC-V的灵活性，它允许进行指令集的扩展，但这一特性同时也可能引发生态的较大碎片化问题。有人指出，RISC-V可能会有后发优势，相较于X86架构没有历史包袱，但相较于其他架构，RISC-V在结构上仍存在诸多不足。RISC-V确实是在蓬勃发展，但也有这么多缺点，那我们为何仍然选择RISC-V呢？

2022年可以被视为RISC-V在车规领域的起始之年。2024年，众多RISC-V相关企业都推出了各自的车规级产品，或正在进行车规级芯片IP开发。

RISC-V如何为汽车领域创造价值呢？表面上看，首先，RISC-V架构能够扩展至车辆中的每一个计算应用场景；第二，RISC-V有助于供应链各环节的协同作业，同时促进创新与差异化；第三，RISC-V生态系统提供了丰富的选择，并涵盖了汽车领域所需的支持与专业知识。然而，从本质上讲，RISC-V并未直接解决汽车领域的所有核心问题。

隼瞻科技在车规处理器方向的布局

隼瞻科技在车规级领域是如何利用RISC-V架构解决汽车电子的痛点呢？针对RISC-V通用处理器，我们可以认为其适用于通用领域。目前，我们已推出、在研发、规划的IP产品中，已经覆盖了对标ARM的M系列微控制器以及R系列实时控制处理器，还有高端A系列的应用处理器。我们已推出并规划了不同系列、不同型号的产品，其中部分已获得车规认证，部分正处于认证流程中，IP布局全面覆盖了各类产品。

图源：演讲嘉宾素材

从系统解决方案的角度来看，我们的处理器产品可划分为三大板块。在一个完整的汽车电子系统中，有一个执行高性能计算的SOC，以及负责决策与数据处理的系统。在终端侧，还配备了传感器与MCU，用于收集实时信息。在传感器与MCU这里，我们提供了高效的两三级流水线的核，包括Wing-M050系列、Wing-M130系列、M510系列，以及正在开发的Wing-A500、Wing-A700等高性能计算产品，这些产品覆盖了汽车领域对不同处理器的多样化需求。

隼瞻科技的技术思考和落地

尽管许多RISC-V公司会强调其满足车规条件，但从IP的角度来看，仅仅满足车规认证并不足以构成充分条件。事实上，它只是一个必要条件，即必须满足车规才能应用于汽车领域。然而，汽车领域的技术挑战远不止于此。

我们首先需要审视汽车电子电器架构的特征。随着汽车电子电器架构从分布式向集中式的演变，以及智能汽车自动化与软件定义车辆概念的提出，对芯片架构与处理器架构都提出了新的挑战。从我们的角度出发，特别是从处理器的角度，我们需要适应这种变化，以满足从分布式架构向集中式架构的转变需求。

隼瞻科技提出了Light-VT轻量化虚拟化技术。当架构由分布式变到集中式，我们在一个盒上需要部署不同的操作系统、不同的应用程序。这引发了一个关键问题：以RISC-V为基础架构进行虚拟化时，可能会带来较高的成本，并且使用如Linux等操作系统可能会导致时延问题，特别是当需要满足实时处理要求时，重操作系统的时延可能无法满足需求。针对这一问题，我们提出了轻量化的Hypervisor。Hypervisor非常薄，在做虚拟OS切换时非常快捷，我们既能保证实时性的处理要求，又使得集中式部署成为可能。

此外，基于我们轻量化的虚拟化技术，我们还提供了一个沙箱隔离机制。从应用层面来看，无论是不同的传感器还是MCU，当它们不处在一个核时，可以通过我们的轻量化虚拟化技术进行有效的隔离，从而避免不同应用程序之间的相互干扰。

当进行刹车控制时，我们希望以微秒或毫秒为单位完成处理要求。如果实时性较弱，可能会导致刹车信号未能及时传出，进而引发严重的安全问题。在我们核上，我们进行了充分的实时性增强设计。从内核的角度来看，实时性体现在多个方面。首先，我们需要针对车辆上的各种请求及时给出反馈；从核的角度来看，涉及中断的快速处理。为此，我们在中断响应上采用了一些特有的技术，在50%的时间内就可以快速到中断响应。

在不同的操作系统之间进行切换时，通常会存在性能损失。为了优化这一过程，我们进行了增强。与基础的RISC-V架构相比，我们的技术能够提升接近三倍的性能。

此外，还有一个概念是确定性处理。如果一个架构是不确定性的，那么处理任务的时间可能会有很大的波动，比如这次处理需要十毫秒，而下次可能需要一百毫秒，这在上车后是不可控的。汽车系统需要一个确定性的链路，处理任务的时间应该是固定的，比如二十毫秒或三十毫秒，不能有偏离和波动。

为满足这一需求，我们在微架构上进行了优化。我们的Wing-M500系列的核本身就是一个确定性的架构，它不会进行任何推测性的操作，从而避免了处理器性能的不稳定。因此，该系列硬件平台上的所有处理任务都会以确定的时间进行。

在对外访问方面，包括走线布局及外部接口设计，我们会提供确定的走线方案。在SoC部署时，确定性事件能够通过这些接口进行高效访问。我们有确定性的内存访问时间，可以在端口部署。此外是确定性机制，我们通过这几个方面，确保核有确定性的处理。

在小型MCU或实时处理系统中，还有一个至关重要的因素，即对代码密度的要求。RISC-V架构在设计时，其代码相对较大。RISC-V的基础架构相较于ARM的Thumb指令级而言，其代码体积会膨胀30%至50%。这意味着当芯片客户在实际部署硬件平台时，需要更大的存储空间来容纳这些代码，导致客户芯片成本的上升。代码体积的增大也会导致处理效率的降低。如果代码体积增大10%，则对外访存处理的需求也可能相应增加10%，这是RISC-V基础架构所面临的问题。

在思考这一问题时，我们从架构层面以及编程器层面出发，提出了三位一体的代码压缩技术。在指令集层面，我们研发了具有隼瞻科技特色的XwingC指令集，该指令集系统可以系统性解决RISC-V基础架构代码膨胀的问题。我们还自研了基于GCC的WingGCC编译器，优化性能和代码密度的要求。

我们还提出了WingLib基础库。传统的基础库从嵌入式领域到HPC领域通常复用同一套生态，没有对嵌入式领域进行深度优化。因此，我们提出了WingLib的基础库优化。三方面的迭代使得我们在该领域基本达到了行业标杆水平。

近年来，行业内已逐渐认识到RISC-V架构存在的问题，并着手进行了一系列优化，我们将这些基础优化融入到了评测中。尽管某些Benchmark的表现出色，但从整体平均水平来看，其表现仍不尽如人意，相较于ARM Thumb指令集，RISC-V基础架构的代码密度仍然高出13%。隼瞻科技经过对代码密度技术的深入优化，目前在通用Benchmark上的表现已达到了ARM Thumb指令集87%的水平。

针对汽车领域及智能时代所面临的计算挑战，隼瞻科技正在积极研发一款可伸缩的异构计算子系统平台，旨在提供灵活的CPU解决方案。该平台设计独特，能够兼容并集成多种类型的CPU及运算单元。我们的平台能够支持通用的处理器，如我们提供的Wing-A900、Wing-A700、Wing-A500系列。我们还可以帮客户交付不同领域的专用处理器，在AI计算领域，我们可以利用隼瞻科技的平台优势，帮助客户研发出适用于其特定应用场景的专用处理器。

该平台还具备出色的扩展性，能够迅速接入客户提供的硬件加速器，尤其是大型矩阵算子加速器，可以快速在平台下做部署。通过统一的计算架构，可以延伸出不同的场景，例如在构建高性能计算集群时，我们可将Wing-A900或Wing-A700等高性能处理器全面部署于该平台，从而形成一个强大的计算能力中心。

未来，隼瞻科技将继续坚持我们的价值观，以客户为中心，为整个行业提供具有竞争力的处理器产品，为推动RISC-V在国内落地生根尽绵薄之力。

（以上内容来自隼瞻科技联合创始人兼CTO姚彦斌于2024年11月14日-15日在第四届汽车芯片产业大会发表的《RISC-V在智能汽车领域的探索与落地》主题演讲。）