2010 年诞生的最“年轻”指令集 RISC-V 已经吸引了众多巨头支持者，比如国外的谷歌、高通、西部数据，国内的阿里、华为、紫光展锐。近几年，开源的 RISC-V 指令集芯片在 IoT 市场已经取得了不错的成绩，给这一市场占有优势的 ARM 带来不小压力。
Semico Research 预计，2025 年全球将有 624 亿个 RISC-V CPU 核心。RISC-V 指令集不仅可以用于 CPU，全球首款基于 RISC-V 指令集的 DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)将在本月底量产，该芯片来自中国初创公司中科昊芯。
对于 RISC-V 阵营而言，这是生态建设中一个值得关注的进展。对于 DSP 芯片而言，这是一个大胆的尝试。对于中国的国产芯片四大件而言，这是一个突破的机会。
全球首款 RISC-V DSP 面向工业自动化市场
根据已知的公开消息，中科昊芯是全球第一家用 RISC-V 指令集设计 DSP 的公司。中科昊芯创始人兼董事长李任伟告诉雷锋网：“我们是国内为数不多的 DSP 团队，有十多年 DSP 和通用处理器研发经验，在 2016 年就开始 RISC-V 处理器核的研究。2019 年 1 月公司成立，7 月份首款 RISC-V DSP 芯片流片成功。”
“3 月底我们就会量产两个系列的 DSP，都是面向工业自动化市场。”李任伟透露。
中科昊芯之所以敢率先选择 RISC-V 设计 DSP，除了其团队有成功研发多款处理器的经验，还因为 RISC-V 是解决国产 DSP 两大挑战的好选择。DSP 是一类嵌入式通用可编程微处理器，最大的优势是能够实时高速处理数字信号，且比 CPU、GPU、FPGA 功耗更低，广泛应用于通信、计算、消费电子和自动控制等领域。
“DSP 主要有两种形式，一种是单芯片，另一种是通过 IP 或模块集成到 SoC。”李任伟说：“国产单芯片 DSP 有一些市占率，在 DSP IP 领域国产化率几乎为零。”
雷锋网了解到，国产 DSP 在某些特殊领域的国产化率已经达到 80% 以上，但这些特殊领域占 DSP 整体市场的份额不到 5%，其它领域国产 DSP 自给率不足 10%。
提升 DSP 的自给率，有两大制约因素。第一个制约因素是知识产权，任何处理器都需要指令集，指令集的问题本质就是知识产权问题。CPU 有 x86、ARM、MIPS 等指令集，其中 ARM 凭借授权模式在移动处理器市场称霸。
“巨头们的 DSP 指令集都各不相同，并且不对外授权，国产 DSP 想要自己定义一套指令集的难度不大，但仅凭一己之力很难构建一整套工具链和生态。”李任伟指出。
第二个制约因素是应用生态，如何吸引开发者和客户使用国产 DSP 是一个更大的挑战。
“RISC-V 是一个开源指令集，没有知识产权问题。同时，无论是国内还是国外，企业还是高校，都纷纷加入 RISC-V 基金会，生态发展很快。”李任伟说：“当时我觉得 RISC-V 有机会把国产 DSP 面临的两大挑战完美解决，因此我们在 2016 年就大胆做了选择，开始自主研发基于 RISC-V 的 DSP。”
至于为何首先推出面向工业控制市场的 RISC-V DSP，主要有三个原因。
解决 RISC-V 性能弱挑战，发挥灵活性优势
“之所以选择工业自动化和机器视觉这两个市场，主要是因为我们团队在这两个领域无论是技术储备还是市场推广方面都有更多积累。”李任伟进一步表示，“当然，这两个领域我们也会分步走，先推出面向工业自动化的一系列产品，再推出面向机器视觉的产品。”
还有一个原因，消费电子和自动控制市场规模占到整个 DSP 市场规模的 11%，工业控制市场也是 DSP 巨头的重要市场，这是一个好的突破口。
面向这两个领域的 DSP 在性能上会有很大的差异，应用于工业自动化的 DSP 是数字信号和控制之间的桥梁，更强调实时控制和应用中的变换性能，应用于机器视觉的 DSP 则需要更强的算力。
高算力对于 RISC-V 指令集的芯片是个大挑战。李任伟说：“基于 RISC-V 指令集的 DSP 与巨头公司的 DSP 在体系结构上有很大的差异，在相同的主频下，RISC-V 指令集的 DSP 性能与巨头公司 DSP 性能有较大差距。”其本质原因还是传统的高性能 DSP 的体系结构是针对 DSP 算法设计的，其一条指令可以实现诸多复杂功能，而用 RISC-V 指令来做相同的事情则需要调用多条指令。“这对我们而言是非常大的挑战，凭借着我们团队丰富的经验，在最基础 RISC-V 指令集的基础上，根据算法的特点，抽取定义了很多 DSP 指令，再加上体系结构方面的大量创新，最终才设计出性能和功耗优异的 DSP。”李任伟表示。
解决了 RISC-V 带来的性能挑战，RISC-V 指令集的优势也得以突显。“由于我们只是用了最基础的 RISC-V 指令集，和自己扩展的指令集，没有向前兼容的问题，再加上 RISC-V 本身的功耗优势，我们的 DSP 有功耗优势。”李任伟同时表示：“正如 RISC-V 在每个领域都可以发挥定制化优势一样，在 DSP 领域也同样如此。我也认为未来会是领域专用架构的时代。”
芯片更高的性价比并不意味着就会受到开发者和用户的欢迎，应用生态是更大的挑战。“我经常说我们其实是站在巨人的肩膀上，如果没有 RISC-V 社区的贡献，我们想要做出完整的工具链的难度太大。有了开源的方案，就可以在开源的基础上进行修改和定制，大大降低难度。”
李任伟说：“为了让用户比较方便的切换，我们也做了很多工作，包括开发环境，界面以及接口等，通过编译器和提供足够多的库，用户基本不用改变习惯就能非常容易地切换到我们的 DSP，而且成本很低。”
先以用户熟悉的方式切换到国产 DSP 芯片，再逐渐去提升性能，从中低端市场切入，一步步发挥出优势，实现芯片的高端替代。以中科昊芯为代表的国产 DSP 芯片公司找到了一条不错的国产替代路线，但突破挑战不小，也需要耐心。
国产替代浪潮下突破 三大巨头的统治
“不管哪个领域，不管高端还是中低端，芯片的国产替代最难的都是应用生态。”李任伟认为，“之前国内的用户即使想用国内的芯片，也没有选择。”
如今，国家大力发展国产芯片产业，并提出了明确目标。2020 年 8 月国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》提出，中国芯片自给率要在 2025 年达到 70%。
在资金和政策的支持下，包括 CPU、GPU、FPGA、DSP 在内的国产芯片迎来了巨大的发展机遇，中科昊芯也是在这样的背景下成立。“对于国产替代更迫切的领域，包括 DSP 在内的国产芯片的自给率提升会更加容易，比如电力和轨道交通等领域。”李任伟说道。
“除了特定的领域，包括工业自动化等市场，国内用户对国产芯片的态度也更加开放。从去年到今年，我们明显感受到客户接受国产新片的意愿越来越强，包容度也更高了。”
对于许多用户都担心的国产芯片的稳定性问题，李任伟表示中科昊芯的芯片有严格的测试流程，稳定性没有问题。
国产芯片还有一个优势，更能满足国内市场需求。比如越来越受关注的安全性，许多国产芯片都通过硬件的方式增强芯片的安全性。中科昊芯还可以提供定制化的功能，实现更强的安全性。
还有一个不容忽视的机遇，包括 TI、ADI、NXP 在内的三大 DSP 芯片巨头都普遍缺芯。DSP 芯片并不需要业界最先进的 7nm、5nm 工艺，国内的芯片代工厂可以代工，并且芯片的封测大部分也在国内进行。
“如果使用国内成熟的节点，芯片的生产受到的影响会小一些。缺芯对于国产包括 DSP 在内的国产芯片确实是一个机会。”李任伟说。
小结
与 CPU、GPU、FPGA 共称为芯片四大件的 DSP 由于其专用性更强，无论是市场规模还是受关注度都更小。即便如此，DSP 的国产替代对于实现芯片的自主可控和高端替代仍意义重大。作为国内为数不多的 DSP 芯片公司之一，中科昊芯选择的 RISC-V 指令集能够解决知识产权和应用生态两大挑战。
但正如李任伟对雷锋网所说，“从最开始定义产品，我们的目标就很明确，同等档次的产品要比国外巨头的 DSP 性价比更高。要达成这个目标的难度挺大。”
值得庆幸的是，中科昊芯去年和今年都有融资，获得了资本的认可，客户目前的反馈也非常正面。
保持耐心，抓住机遇，国产芯片的未来值得期待。
