Business Incubation
孵化育成
作者:光电工研院
胡振波--“硅农亚历山大”的内核逆袭
2020-04-01

编者按


这是一个致敬创新创业者的时代,在双创浪潮中搏击的个体,又引领着潮水前进的方向。


在人才竞争驱动新一轮科技和产业变革的关键当下,一个由武汉光电工研院打造的国际化“人才引擎”在光谷科学岛起步区卓然问世。


我们欣喜地发现,比起数年前高校“唱主角”,如今一些带着先进技术学成归国、拥有国际视野的年轻团队正成为这座“科创新地标”中的活跃元素,释放出促创新、谋发展的澎湃动力。


时隔一年,光电工研院官方公众号再度推出“举烛衔光”人物专栏,讲述平台上明星创企的创新创业故事,以在追光之路上树一个品牌,立一面旗帜,亮一盏明灯,能够驱动和指引更多光电子领域创新团队“破茧成蝶”。


本期“举烛衔光”的主角,是芯来科技(武汉)有限公司总经理胡振波——


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芯来科技(武汉)有限公司总经理胡振波


2019年5月22日晚间,英国广播公司BBC爆出ARM公司内部文件:因为包含来自美国的技术,ARM已经要求员工暂停所有与华为及其子公司正在生效的合约、支持权利及任何未决约定。


一时间,全球哗然。


尽管此前美国对华为的一系列制裁,从芯片断供到掐断安卓系统,都没能吓退国人,甚至令“麒麟”和“鸿蒙”在这场大国之战中,成为了国家科技象征,但是ARM这一手釜底抽薪,却让所有人对华为捏了一把汗——华为这架被任正非称作千疮百孔的“烂飞机”,究竟能不能扛过这致命一击?


与英特尔的“灯,等灯等灯……”那飞入千家万户的经典广告相比,ARM这家公司并不为大众消费者所熟知。以至于华为被ARM停止授权时,很多人都问:ARM是谁?


作为芯片最关键的部件中央处理器内核(简称为“处理器内核”)不仅是芯片的大脑,也是心脏。

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在我们的大脑里,有左脑、右脑、海马体等结构,不同结构控制的功能是不同的,有的控制视觉,有的控制听觉,有的负责记忆存储,有一部分控制你的思考和情绪。与之类似,在一个芯片里每一个不同的功能区域,都有一个经过精心设计反复验证的被称作IP即硅知识产权的功能模块在控制。而处理器内核IP,就是大脑里操控思维的部分,用来处理数据和执行指令。数据和指令主要来自软件,处理器内核的指令集架构(简称“处理器架构”或“架构”)则是让软件能够运行在由芯片等构成的硬件的重要接口,是处理器的灵魂。


但在芯片王国,全世界的处理器架构,几乎都被美国英特尔的x86架构和英国处理器IP设计公司ARM的架构所垄断,技术壁垒形同天堑。


2017年,全球基于ARM架构生产的芯片有170亿颗,而全球人口也只有70亿。仅仅在中国,ARM就有100多位合作伙伴,包括华为海思、紫光展锐等,均采用ARM架构来进行IC设计。


华为的ARM困局,是否存在破解的可能?


伴随着中美贸易战对全球经济影响蔓延,业界纷纷开始对一种新的开放指令集架构RISC-V寄予厚望,期待它能让中国处理器实现自主可控和繁荣创新。而一个更迫切的现实意义在于,RISC-V架构和国产IP不受美国出口管制。


“战火”纷飞中,一个年轻的硅农下山了……





独行侠“亚历山大”




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胡振波正在给图灵奖获得者David Patterson介绍芯来科技


在国内新生代的半导体圈内,“硅农亚历山大”是名活跃的KOL。这个CPU Guy一边搞处理器内核研发,一边写书,观点犀利,吸粉无数。


但在现实世界见到“硅农”本农的时候,他笑称这个网名不过是吐槽芯片从业者压力山大罢了。


眼前这个皮肤黝黑、谈吐风趣的“硅农”,名叫胡振波。


胡振波生于湖南,是上海交通大学电子工程系微电子学院硕士。毕业后,他进入知名无晶圆厂半导体公司Marvell(迈威科技集团有限公司,现更名美满)上海研发中心工作,负责ARM处理器的开发。这是他第一次踏入“芯片之心”的世界。


2010年,因工作需要,胡振波被外派到Marvell硅谷总部,担任ARM架构CPU设计高级工程师。当时,Marvell刚刚花费巨资从Intel购买了基于ARM指令集架构的移动处理器产品线。通常各半导体公司从ARM公司购买其设计的ARM处理器核后,会根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的针对特定领域的芯片产品进入市场。而Marvell则是购买了ARM的架构授权,基于该架构完全独立研发自己的处理器内核IP。


在Marvell工作的三年间,胡振波参与了多个高性能处理器的研发工作,但发现处理器设计是一门开放的学科,其所需的技术均已成熟,但是由于ARM生态圈已经形成,让只有很少的工程师能够真正接触到这个狭窄的高精尖领域,很难真正向全世界的工程师开放。


当时,恰逢美国新思科技在武汉未来科技城成立全球研发中心,并组建ARC处理器内核IP部门。


在loT(物联网)和边缘计算两大领域,新思科技ARC内核IP实力紧随ARM之后。


回国后,胡振波加入新思科技,任研发经理,从事处理器内核IP的研发和管理。之后,还在比特大陆、武汉聚芯微电子等多家半导体公司任职,因此积累了多年的集成电路和处理器设计与验证经验。


“我一直在处理器内核领域,所以知道这个行业的痛点和差距在哪里。”他说,这个行业的工程师都希望有一个挑战者能与ARM分庭抗礼,直至全新的开源指令集架构RISC-V出现,将铁板一块的处理器内核世界撕开了一道口子。


尽管短期内,RISC-V还无法与ARM叫板抗衡,但这个架构最大特点就是完全开放,不设专利保护,所以全世界任何国家和公司,都可以基于RISC-V指令集架构标准来做处理器,因此在短时间内得到了开源社区以及行业巨头们的支持,成长迅速。因为开放,它的生态就能够做大,也给中国带来了产业机会。





ARM“统治”着的世界





ARM,Advanced RISC Machines,本是一家诞生于英国的处理器设计与软件公司,总部位于英国剑桥,主要业务是设计ARM架构的处理器,同时提供与ARM处理器相关的配套软件,各种SoC系统IP、物理IP、GPU、视频和显示等产品。2016年,ARM被日本软银以243亿英镑收购。


尽管在普通人眼中,ARM公司的知名度远没有英特尔的辨识度高,甚至不如华为、高通、苹果、联发科和三星等厂商耳熟能详,但ARM架构处理器却以“润物细无声”的方式渗透到我们生活中的每个角落。


从我们每天日常使用的电视、手机、平板电脑以及手环、手表等电子产品,到不起眼的遥控器、智能灯和充电器……我们想得到和想不到的方方面面,均有ARM架构处理器的身影。在白色家电、工业控制与汽车电子领域,ARM架构处理器更是无处不在。就连我们熟知的桌面PC、服务器和超级计算机领域,ARM架构也在朝其渗透。

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芯来科技推出的RISC-V评估板


从某种意义上,ARM架构处理器统治着这些领域,并支撑着我们这个世界的运行。


ARM公司虽然设计开发基于ARM架构的处理器核,但在商业模式上并不直接生产处理器芯片,而是作为IP即硅知识产权供应商,转让授权许可给其合作伙伴。目前,全世界有几十家大的半导体公司都使用了ARM公司的授权。


芯片公司每设计一款芯片,如果购买了ARM公司提供的“ARM处理器IP”,芯片公司就需要支付一笔前期授权费。如果该芯片被大规模生产销售,则每卖出一枚芯片,便按其售价向ARM公司支付一定比例(譬如1%~2%)的版税。


由于ARM架构占据了绝大多数的市场份额,形成了完整的软件生态环境,在移动和嵌入式领域,购买ARM处理器IP几乎成为这些芯片厂商的首选。


胡振波说,现在处理器内核IP市场的国产化率不到1%,ARM公司市占率达90%以上。“中国为什么连航母和火箭都造得出来,一个小小的处理器就是无法突破?因为ARM形成行业寡头后,把所有其自研的指令架构全部申请了专利保护。你如果用它的架构来做,就侵犯了知识产权;如果不按照它的架构来做,市场上的设备商和应用商又不买单。”


就像有些具备实力的汽车生产商可以自己设计制造发动机一样,有实力的芯片公司也想自已设计处理器,但选择只有三个:要么自己发明一种处理器指令集架构;要么购买其他商业公司的“非ARM架构”的架构授权;要么购买ARM公司的“ARM架构授权”而不是直接购买“ARM处理器IP”,自己定制开发基于ARM架构的处理器,当然购买架构授权的费用远比直接买处理器IP要高昂得多。





“逼”出来的芯来科技




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由于不满ARM等处理器架构的复杂性和相关知识产权的限制,美国伯克利大学决定发明一种全新的开源指令集架构,可以被任何学术机构或商业组织自由使用。这个架构,叫做RISC-V。


在这场“处理器革命”中,两个人物发挥了至关重要的作用——一位是大卫·帕特森(David Patterson),计算机体系结构的一代宗师,另一位是约翰·雷洛伊·轩尼诗(John Hennessy),美国计算机科学家,第十任斯坦福大学校长。这两位现代计算机架构先驱,均是图灵奖的获得者。


2015年,RISC-V成立基金会,初创企业包括谷歌、西部数据、台湾晶心、联发科、华为等。在全球范围内,以美国为首的大学开始采用以RISC-V为内容的教材,并被多个国家定义成国家标准指令集,比如印度等。


在业界,三星也明确表示会使用RISC-V在相关产品中。刚开始“玩”RISC-V的时候,胡振波并没有想过要创立一家专业内核IP公司,而仅仅是想在RISC-V的国内推广传播上尽一点绵薄之力。


新的生态出现后,欧美纷纷杀入到这个“新世界”。但RISC-V在国内的普及,却有些“慢半拍”。网上的RISC-V文档,基本都是英文原版的指令集手册,专业晦涩。开源的RISC-V内核也基本上来自国外,用户只能将其当做“黑盒”学习。


2017年,RISC-V在国外已经诞生了很多的开源或者商用版本的处理器内核,但国内产业界却对这个“新物种”保持犹疑,仍在观望。

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于是胡振波开发了中国第一个开源版本RSIC-V处理器内核蜂鸟E203,并上传至面向开源及私有软件项目的托管平台Github,成为国内最早产生影响力的RISC-V开源内核。基于蜂鸟E203,胡振波决定撰写一本RISC-V的中文书籍,以解决RISC-V在国内传播的问题。写书是一个痛苦而枯燥的过程,这个“布道者”几乎耗尽所有业余和休息时间,每天除了工作就是写书,历时一年出版了《手把手教你设计CPU:RISC-V处理器篇》,成为国内第一本系统介绍RISC-V技术方向的书。并在2019年初出版了国内第二本RISC-V书籍《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》。


目前,蜂鸟E203内核和相关书籍在国内的爱好者、初学者以及高校中,开始广泛被使用和学习起来,社区里也有基于蜂鸟E203制作的RISC-V FPGA开发版,星星之火就此点燃。


胡振波开发的蜂鸟E203面世的时候,基本上与国外处于同一起跑线。但是在这一轮新浪潮中,国外很多专业RISC-V内核IP公司,陆续出现并飞速发展——SiFive公司运行Linux的四核RISC-V内核推出,并于2018年在中国市场进行推广,而国内的CPU业界面对大军压境,仍然停留在对RISC-V的质疑中,迟迟没有行动。


胡振波急了。


“我们总是谈追赶这个追赶那个,但是一个新的技术出现,却又视而不见,眼看着又要错过一个时代,以后又要谈追赶了!”他心急如焚,对身边的小伙伴们说,我要在国内创立一家专业做RISC-V内核IP的公司,专注于RISC-V内核IP的开发和授权。


朋友徐来一听,说:“你是不是傻?玩大了吧?这是国家该干的事。”


徐来曾先后在华为和腾讯供职,出来创业两次后,前往美国波特兰州立大学留学,专攻计算机。那里不仅有英特尔全球最大的研发中心,还有完整的半导体产业链。但是这个骂他傻的朋友,当天下午便辞去工作成为了他的合伙人,然后和他一起“失业”了很久。


2018年6月,胡振波与几个志同道合的合伙人,在光谷创立芯来科技(武汉)有限公司,踏上了攀登“半导体珠峰”的8848漫漫长路——设计出中国自己的CPU内核IP。


“我也经常自嘲:是不是傻。”他说,明知道这是一条艰难的路,但世界上总归是需要一些傻人,去做一些看起来很傻的事。


胡振波笑称:芯来科技这个公司,就是被“着急”给逼出来的。





让“缺钙”的中国芯慢慢站起来





在中美贸易战之前,我们曾一边从美国大量进口芯片,一边在心底担忧:如果有一天,美国不再给中国提供芯片,我们该怎么办?


这一天,终究到来了。


从“中兴事件”到美国科技巨头对华为断供,再一次让国内意识到芯片国产自主可控的重要性。


在胡振波看来,中国的芯片产业现状,是专用芯片强、通用芯片弱;产业中间强、两头弱。


由于专用芯片有专用场景,壁垒低,见效周期短,我国在很多专用芯片领域表现还不错,但对于壁垒高、周期长的通用芯片(譬如通用MCU,CPU等)则非常薄弱。


他说,中国的芯片产业是一个纺锤形状,产业的中间代表了广大的SoC(System on Chip)设计公司,设计SoC芯片就好像“组装整车”。在这一块,我国的规模已经非常庞大,并且许多SoC芯片公司的设计能力已达到国际一流水平。


产业的两头,一头代表了工艺和制造(Foundry),另一头代表了核心IP,两头都是短板。在工艺和制造端,我国与国外存在几个代差,国家一直在投入巨资进行追赶;核心IP则好像“汽车的发动机和核心零部件”,几乎全部依赖进口。


打个通俗的比喻,我们整车组装的能力已经很强,但是“发动机和零部件”都得依靠进口。


目前,全球半导体市场规模达3200亿美元,全球54%的芯片都出口到了中国,但国产芯片的市场份额只占10%。中国芯片产业每年进口需要消耗2000多亿美元外汇,超过了石油和大宗商品,在进口商品中占有相当大的比重。


最近一段时间,每天都有科技工作者在“硅农亚历山大”的微信公众号后台问胡振波:“RISC-V指令集架构”会受到美国出口管制吗?基于RISC-V架构实现的处理器IP会受到管制吗?


胡振波说,源自美国国内受到出口管制的,通常都是具体的软硬件产品,而开源项目的源代码则是受美国宪法第一修正案保护的言论自由。“RISC-V指令集架构”既不是源代码也不是具体产品,而是一套开放的处理器架构标准,因此不会受到美国的出口管制。如果国内公司开发基于该架构的商业或非商业处理器IP,也完全不受美国管制,做到自主可控。


也有人问:既然受制于人,中国为何不干脆自建一套指令集架构?


“自建一套指令集架构的尝试在国内已经被多次尝试过,也已经存在多种国内自有的指令集架构。”胡振波说,其实设计一个指令集架构不难,难的是产业生态建设。处理器是一个非常复杂的软硬件系统工程,闭门造车自建标准很难成功。中国半导体产业应该主动和积极拥抱RISC-V生态,从长期来看,RISC-V对于中国半导体产业一定会产生划时代的意义。

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5月底,芯来科技发起“一分钱计划”,助力RISC-V进入大规模商用。芯来科技开发的商业级内核IP——N201已经过充分验证,使用N201内核的客户,仅需在大规模量产时,才要为每颗芯片支付一分钱的版税(Royalty),相比国外的传统处理器内核IP,几乎是免费,而相比纯粹的开源内核则更加稳定可靠。此外,所有配套的软件工具链和图形化开发IDE,均可免费获取和使用。


他介绍,芯来科技自主研发的全国产可控N200系列32位超低功耗RISC-V处理器内核IP,专为物联网IoT终端设备的感知、连接、控制以及轻量级智能应用而设计,能够全面地替代传统的ARM Cortex-M全系列内核IP,可广泛应用于对面积、成本和功耗敏感的IoT领域芯片的微控制部分。


“通过开放的RISC-V架构,我国处理器内核有望摆脱国外垄断,实现国产自主。同时,基于成本和开放优势,本土产业可开发出更高性价比的芯片,以及具有差异化特性的芯片。”


随着5G和物联网时代的到来,每个路灯都会由芯片控制,每个房子里都是智能家居,IoT和边缘计算领域的处理器内核IP,年出货量将会达到万亿颗。“拥抱开放是当今各个行业的大趋势,RISC-V的出现,或将是一次产业转机,这也是我们公司的核心技术方向。”胡振波说,希望在这场弯道超车的芯片之战中,中国不再缺席。




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