RISCV：中國芯新選擇

　　在地下停車場“游蕩”了10多分鐘，找到并撲進自己車里鎖好車門后，小張才發現自己的后背已經洇濕了。

　　這是一個偏離城區的大型會議中心，因為和主辦方臨時談點事兒，她來到停車場時，位于地下三層的停車場已經沒了人影，連保安都不知躲哪去了。盡管相信這里安全，也堅信沒有所謂的神鬼怪獸，但當她在高跟鞋“篤——”“篤——”的回響中左右逡巡時，恐懼、無助和無奈還是重創了她。

　　隨著技術的進步，類似的窘境可能會被“終結”。近日，針對室內定位“痛點”，知路導航發布全球首款基于RISC-V開源架構的音頻定位芯片（Kepler A100），將室內定位精度提升至0.4米。

　　解決室內定位“痛點”

　　“這個芯片主要為了解決室內定位難題。”芬蘭科學與人文院院士、武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室主任陳銳志對《中國科學報》說，“比如商場、展覽館、高鐵站、航站樓內部導航和定位問題。”

　　隨著生活場景越來越復雜，高精度室內定位已經成為我們生活中導航的“痛點”。為解決此類問題，陳銳志團隊在科技部“十三五”重點研發計劃項目“高可用高精度室內智能混合定位與室內GIS技術”的基礎上，經過技術開發和成果產業孵化，近日，面向全球發布Kepler A100，提供了室內高精度定位的中國方案。

　　該技術已突破消費級智能終端室內高精度定位“卡脖子”技術，具有自主可控、精準定位、容易布設、手機接入、無限并發、保護隱私等六大特性。不久前，在科技部項目指標第三方進行的測評中，音頻定位系統的靜態定位精度達到0.4米，移動目標的定位精度為0.58米。

　　“我們已在南京南站、杭州東站、白云機場進行測試和示范。”陳銳志說，“將來在地下停車場中，如果布置有這種芯片的定位發射器，再結合較詳細的停車場位置圖，就可以通過手機APP或微信小程序，精準地導航到我們的車旁。”

　　在南京南站落地的測試中，信號覆蓋從地下停車場、站臺到侯車廳全場景56萬平米。將來在會展中心、高鐵站、機場、醫院、商場、學校等有室內定位需求的地方，都可以進行精準導航定位。

　　陳銳志介紹說，定位導航類芯片涉及較為敏感的地理信息，也是導航類APP、室內地圖應用等產業生態的基礎，為避免使用ARM架構出現“卡脖子”問題，團隊選擇了基于RISC-V架構開發芯片，在測試過光線、超寬帶、藍牙陣列等信號定位方式后，他們最終選擇音頻信號并成功開發出完全自主知識產權的基于RISC-V的音頻定位芯片。

　　“RISC-V是個新的開源指令集，在此基礎上開發芯片難度要大很多。”陳銳志說，“因為可用的芯片開發資源（如開源IP）相對較少，需要自己開發的部分很多，經過1年多努力，我們終于把這個能‘綠色發展’的芯片做了出來。”

　　RISC-V呼之欲出

　　RISC-V是一種開放的指令集規范，而指令集通常以文檔、手冊的形式發布。

　　2010年，加州大學伯克利分校兩個研究團隊準備啟動一個新項目，需要選擇一種處理器指令集。他們分析了ARM、MIPS、SPARC、X86等多個指令集后，發現它們不僅設計復雜，而且還存在知識產權問題，于是研究團隊決定從零開始設計一套全新的指令集。

　　2011年5月，第一版RISC-V指令集（第五代精簡指令集）發布。新指令集能滿足從微控制器到超級計算機等各種尺寸的處理器，能高效地實現各種微結構，能支持大量的定制與加速功能，能和現有軟件棧與編程語言很好的適配。還有最重要的一點就是要穩定——不會改變，不會消失。

　　“指令集是軟件和硬件之間的接口，是一套標準規范，我們可以根據這套規范去設計處理器芯片和對應的軟件系統，并最終形成產品。”中國科學院計算技術研究所副所長、中科院大學教授包云崗告訴《中國科學報》，“軟件和硬件的關系恰如螺母和螺釘。把軟件看做是螺母，硬件看做螺釘，那么指令集就是螺母和螺釘之間對接的尺寸規范。螺母和螺釘都按照相同的尺寸（也就是同一個規范）去設計，即使是由不同的廠商來生產，也可以保證最終所有的螺母都能擰到螺釘上。”

　　基于x86、ARM或RISC-V指令集，可以進行處理器微架構設計和實現形成源代碼，并通過流片最終形成芯片產品。在芯片上游設計環節，中國有海思半導體、紫光展銳等，但目前還是過多依賴ARM構架，要設計出高端芯片，必須要拿到ARM芯片構架授權。在美國干預下，ARM一度停止對華為提供最新ARM構架。

　　目前，國際上圍繞RISC-V的研究越來越多，國內也成立了RISC-V協會，一些企業也在基于RISC-V開發芯片。隨著各大科技公司加碼對芯片自研的投入，中國RISC-V呼之欲出，中國芯片產業或許會出現全新面貌。

　　RISC-V芯片未來可期

　　“芯片是信息技術的引擎，隨著摩爾定律瀕臨終結，維持芯片技術創新面臨挑戰。”包云崗說，“開源芯片設計將是應對挑戰的新思路之一。”

　　最近，匹茲堡大學 NSF 空間、高性能和彈性計算中心 (SHREC) 研究人員在在2021 年 IEEE 空間計算會議上展示了他們用于空間計算的 RISC-V 架構，并被授予空間計算研究最佳論文獎。

　　“RISC-V是開源的，且受益于協作開發。”該論文的第一作者、SHREC電氣和計算機工程博士 Michael Cannizzaro 說，“RISC-V可用于各種空間系統——從導航、圖像處理到通信和機器學習，在不久的將來，我們可以看到使用這項技術開發的所有新系統。”

　　基于RISC-V指令集規范，既可以由開源社區來開發開源免費版的處理器實現，也可以由商業公司開發收費授權版的處理器實現。國內目前基于RISC-V開發的芯片有平頭哥玄鐵910，芯來科技N200核，優矽科技WH(渭河)系列芯片。今年5月，華為海思也宣布新的自研芯片采用RISC-V架構，同時適配鴻蒙OS系統。

　　今年6月，首屆RISC-V中國峰會在上海舉行。會上，包云崗團隊推出“香山”開源高性能RISC-V處理器核。它第一版架構代號“雁棲湖”，基于28納米工藝流片。這標志著，在中科院計算所、鵬城實驗室的技術支持下，國內發起的高性能RISC-V處理器開源項目正式誕生。

　　在RISC-V加速器和領域專用處理器領域，中科院計算技術研究所泛在計算團隊開展了基于RISC-V核心的輕量級神經網絡處理器的研究，探索了RISC-V核心在物聯網設備中的應用，上海交通大學北斗導航與位置服務重點實驗室則開展了基于RISC-V指令集的基帶處理器擴展研究項目。

　　從“單點突破”到“遍地開花”，RISC-V處理器核心將打通國內芯片上下游企業，為國內芯片制造提供新的選擇。

　　“只有RISC-V還不夠。”包云崗說，“還需要開發基于RISC-V的開源工具鏈、開源IP、開源SoC等，才能形成完整的開源芯片生態，這需要更多支持開源芯片的力量參與并作出貢獻。”