文:晶心科技提供、編輯:秘書處

一、RISC-V 締造開源新時代


放眼5G潮流強勢興起,加上連線設備的普及,全球物聯網(IoT)相關應用日新月異,成就了「萬物聯網」世代。RISC-V架構在此一風起雲湧的環境下,憑藉開源、精簡、可模組化和可擴充四大強項趁勢而起,不僅在歐美地區炙手可熱,知名大廠紛紛以此作為指令集架構,2020年將擴大發展的歐洲處理器計畫 (European Processor Initiative)也預計以RISC-V技術作為基礎設計;在亞洲地區,崛起中的印度半導體產業更是獲得政府大力資助RISC-V處理器相關的項目,使RISC-V確立成為其國家指令集。如此日益茁壯的RISC-V生態圈,其相關應用之高速成長亦備受矚目和期待。

▲Semico預測RISC-V應用的高速成長

隨著指令集複雜度的提升,為了解決智慧財產權的風險,從學界誕生的RISC-V指令集架構遵循BSD協議(Berkeley Software Distribution license),吸取並改善過去幾十年來電腦發展過程中各種指令集架構的經驗與優缺點,包括精簡化指令集的大小。RISC-V架構開源免費且可擴展的特性,將軟硬體架構的自由度提升至新的水平;具備靈活性的同時,亦透過提供足夠的客製化空間提高特定應用的效能及差異化。此外,RISC-V藉由產學界組成可共用的RISC-V生態系統,進行相對開放式的設計,在市場上獨樹一幟。

二、強攻IoT市場,RISC-V加速產品創新

身為軟硬體圈的新星,RISC-V的應用從低階至高階,範圍十分廣泛。包括人工智慧(AI)、通訊設備、指紋辨識、可編程邏輯閘陣列、區塊鏈、物聯網、車聯網、先進駕駛輔助系統(ADAS)、應用程式安全和固態儲存設備等。其中,結合AI、IoT的AIoT應用成為全球大勢所趨。

▲RISC-V推動AIoT更加普及於日常生活

根據Esticast Research研究顯示,在2026年,AIoT的市場將以年度成長率27.1%的速度上看211億美元,也因此許多針對物聯網的相關技術與應用不斷推陳出新。而RISC-V架構具有靈活、開放及客製化的特性,特別適合瞬息萬變的物聯網產業需求,使它足以快速瞄準市場,推出許多嵌入式RISC-V處理器的新興多元產品,其中臉部辨識、語音辨識、智慧家居助理等熱門應用,已普及於日常生活中。

RISC-V所蘊含的開放式指令集符合物聯網環境所需的高效能、低功耗及高彈性,並且可讓IC設計業者依需求,輕易地自行加入客製化指令,建構完整的AIoT應用。不僅能有效幫助客戶加速產品創新與上市,也大幅降低了開發風險與成本。台灣RISC-V供應商晶心科技也看準RISC-V在AI邊緣運算晶片的應用,推出世界第一顆內建RISC-V P指令集(P-Extension)擴充指令的DSP處理器核心D25F。憑藉加速不同的DSP指令運算,能有效提升高達10倍的執行效率,,達成即時辨識,在5G時代可謂所向披靡。

三、共推RISC-V安全解決方案,有效打擊IoT資安危機

▲eSecure信任根(Root of Trust)完整解決方案嵌入晶心的 N22 RISC-V CPU核心,能幫助客戶有效地防止惡意攻擊,確保裝置的高度安全性。

在迎接物聯網時代的同時,安全是AIoT發展下最具影響力的重大要素。然而萬物聯網下雲端與資料庫所面對的攻擊者破壞性也隨之愈加猛烈,又多數終端設備運算能力有限,難以完善顧及安全性。為抵禦層出不窮的攻擊手法不斷的挑戰資安,許多供應商借助RISC-V核心可擴充的自訂義指令集與豐富的系統配置優勢,提出相應解決方案,能極大幫助開發者輕鬆地防止外部攻擊以設計強韌的物聯網SoC,為客戶提供更安全、高效能的處理器,保護系統安全免受資安威脅。例如晶心科技攜手Silex Insight推出RISC-V信任根(Root of Trust) IP解決方案,以防止機密資訊外洩,並提供安全啟動、密鑰認證與應用程序的保護。而此類健全的安全解決方案非常適合於IoT中對安全性敏感的應用,也可見得嵌入RISC-V在安全聯網應用的絕佳優勢。

四、晶心科技整合晶片開發上下游RISC-V Partner

▲晶心在開發工具、執行時系統、安全三大類建立強大的合作夥伴關係。

如前述所言,隨著AIoT將成為RISC-V CPU核心的重點市場,晶心科技作為RISC-V CPU的全球領導供應商,推廣RISC-V不遺餘力,並藉由建立強大的合作夥伴關係籌組RISC-V生態系,結合不同廠商間的專業優勢,針對物聯網環境下的多變挑戰,提出相對應的解決方案,一同探索更多創新的RISC-V應用。其中晶心透過開發工具(Development Tools)、執行時系統(Runtime) 以及安全(Security)等三大類目標合作,推出可運行晶心RISC-V核心的操作系統、偵錯、調校、開發工具等項目,成果豐碩。

1.開發工具(Development Tools)

●SEGGER
所有SEGGER軟體庫中,包含嵌入式RTOS embOS、文件系統、壓縮功能、圖形庫、安全性、通訊和物聯網,以及嵌入式集成開發環境,皆可支援全系列的Andes RISC-V處理器。例如J-Link調試探針和Flasher 編程器可支援Andes RISC-V 32位CPU核心及包括N25F、D25F和A25。

●Lauterbach
從早期Andes架構AndeStar™ V3至新一代具擴充架構的RISC-V N25F及 NX25F處理器,Lauterbach TRACE32的支援讓使用晶心科技新V5處理器開發產品的工程師能有效利用TRACE32進行完整除錯功能,包括bootstrap程式碼、interrupt routines(中斷程式)及驅動程式。

●Deeplite
晶心科技和Deeplite聯手推出AI應用的解決方案,諸如智慧家庭助理的人機互動界面可以在本地操作,且幾乎不需要連線至雲端;當智慧家庭助理通過小型攝像機偵測到人時,裝置將會自動「喚醒」。其目標為優化在第一個採用DSP SIMD ISA的商業RISC-V核心Andes A25和D25F上運行的深度學習模型,適用於低成本的AI邊緣運算應用。該團隊從在13MB大的Visual Wake Words(VWW)視覺喚醒關鍵詞數據集上訓練的MobileNet模型開始, 使用Deeplite的硬體感知最佳化引擎,在精準度只降低1%的情況下,自動發現、訓練和運用小於188KB的新模型。

2.執行時系統(Runtime)

FreeRTOS
Amazon FreeRTOS是適用於Amazon Web Services(AWS)雲端平台微型控制器的開放原始碼作業系統,可使小型、低功率的邊緣裝置易於進行程式設計、部署、保護、連接及管理。晶心Corvette-F1 N25平台領先成為取得Amazon FreeRTOS資格的RISC-V平台之一,將RISC-V平台與Amazon FreeRTOS、AWS IoT Greengrass、AWS IoT Core等解決方案相結合,可幫助開發者創建基於RISC-V全面且具有競爭力的物聯網系統,並提供開發者更多開發平台的選擇。

ThreadX
ThreadX 是由 Express Logic 公司開發的即時操作系統(RTOS),其主要的特點包括支持優先級繼承、搶占閾值的設計、微核心設計、代碼空間占用小等。ThreadX支持的架構幾乎涵蓋所有主流CPU架構。其中晶心低功耗SoC子系統AndeShape™AE210P主要應用於IoT和可穿戴式設備市場, 可以輕鬆地與任何AndesCore™或其他IP供應商的IP集成。透過ThreadX支援基於晶心AE210P平台的可穿戴和便攜式設備的IoT開發,將可達到高效、高性能和易於使用與操作的需求。

RT-Thread
RT-Thread是一個技術平台,集成RTOS、和開發者社區,具有核心小、穩定可靠、簡單易用、高度可伸縮、組件豐富等特點。RT-Thread 本身擁有良好的軟體生態,商用支持所有主流CPU架構,同時擁有非常大的嵌入式開源社區,被廣泛應用於能源、車載、醫療、消費電子等多種行業,而晶心RISC-V處理器運行RT-Thread操作系統將可幫助客戶更輕鬆的切入並推出各類主流的物聯網設備。

3.安全(Security)

Secure-IC
晶心的Andes RISC-V處理器整合Secure-IC的Cyber Escort Unit™ ,針對物理性和網路的攻擊,包括緩衝區溢出、錯誤注入攻擊、跨越或取代指令等提供保護,並符合Common Criteria(安全評估共通準則)的高安全等級(EAL)認證與PP0084保護描繪(Protection Profile)認證。

Tiempo Secure
Tiempo Secure為安全元件矽智財(Secure Element IP)取得ISO/IEC 15408 CC(信息技術安全評估準則)EAL5 +產品安全等級的唯一供應商。晶心透過與其建立戰略合作夥伴關係,共同推動RISC-V的安全解決方案達到CC EAL5 +產品安全等級。

Dover Microsystems
晶心與首創處理器的防護系統,以保護嵌入式系統免受各種網路攻擊的Dover Microsystems策略結盟,共同致力於開發專為RISC-V設計的專業網路安全系統。Dover的CoreGuard®技術在嵌入式系統中是唯一可阻擋利用軟體漏洞進行網路攻擊的解決方案。CoreGuard整合晶心的RISC-V處理器,可以有效阻擋高達94%的軟體漏洞,其中包含100%的緩衝區溢位、代碼注入、數據外洩以及違反安全規定的行為。

五、RISC-V基金會致力創造最大利益

▲RISC-V基金會於全球各地舉辦RISC-V活動以推廣RISC-V。

在全球AIoT的熱潮下,可擴充、高彈性的兩大特色成功讓嵌入RISC-V的SoC全球供應量穩定成長;其開源免費的架構使得RISC-V的入門門檻不算太高,也因此整個RISC-V生態系正在快速膨脹與擴大。不僅單單只有台灣晶心科技積極尋覓合作夥伴結盟,各大RISC-V採用廠商也為追求更高效能且與時俱進的RISC-V產品及高效率的上市速度,紛紛投入跨國內外、跨產業的商業合作與推廣活動。為了穩定其健全發展並更進一步推廣RISC-V的採用,2015年獨立運作的非營利組織RISC-V基金會誕生。RISC-V基金會致力於促進RISC-V生態系的多樣性與防止碎片化、協議並制訂RISC-V ISA的共同使用規範、管理生態圈內公開的RISC-V技術以及推動各項技術和應用的成果發表。

RISC-V基金會透過舉辦相關RISC-V研討會與論壇如RISC-V Summit、RISC-V Day、RISC-V Workshops、RISC-V Roadshows,提供了世界各地RISC-V愛好者國際性的交流平台;頻繁的活動亦為組織內成員們帶來許多共同效益,包括商業上的良性競合。如RISC-V基金會成員們時常透過商業合作,共推更創新且強大的解決方案。而除了舉辦多項推廣活動與促成多起合作計畫, RISC-V基金會亦建立不同目標取向的計畫並成立各式專案小組(Task Group),協助定義架構標準以擴展新的ISA,並加深各個RISC-V成員在特定領域的價值、參與度。

▲RISC-V基金會藉由運行多樣化的專案小組和計畫凝聚會員創新。

RISC-V於全球各層面之應用領域掀起新風潮,許多世界知名大廠如Google、Nvidia、Samsung、WD、Qualcomm、Tesla等紛紛加入RISC-V基金會,其會員數穩定增長,截至2019年12月已來到435家。在亞太地區,來自台灣的矽智財大廠晶心科技於成立之初即看準自訂義指令集的商機,不僅作為RISC-V基金會創始白金成員,也是台灣RISC-V聯盟的發起會員,全力以赴推廣RISC-V的普及。RISC-V社群透過不間斷的研發與夥伴合作,推出合乎市場需求的創新產品,並幫助RISC-V在AIoT應用市場中繳交了亮眼的成績單。

▲截至2019年12月,來自世界各地的RISC-V基金會成員高達435家。

六、台灣 RISC-V聯盟誕生,豐富台灣RISC-V生態系

身為半導體產業巨頭,台灣亦殷切盼望與當紅炸子雞RISC-V共享繁榮。擁有世界第一的半導體供貨量,不論是技術亦或是地緣位置,台灣皆具有相當大的優勢足以發展出自己的CPU架構、IP產品及生態系,而開源、精簡和高彈性的RISC-V 指令集便是最佳選擇。2019年三月,「台灣RISC-V聯盟」正式成立,象徵著台灣產業界對於RISC-V的重視與日俱增。同一時間,由RISC-V基金會主辦的RISC-V Workshop首次移師新竹,重點關注亞太地區RISC-V生態系統的成長與推廣。透過產、學、研三方合作,台灣RISC-V聯盟協助加速推廣RISC-V開放架構導入台灣科技產業進入IC客制化設計核心,以促進RISC-V開放架構快速切入商用市場。該聯盟亦強調透過培育相關人才,串聯海內外RISC-V生態系資源。因應AIoT世代所帶來的龐大商機,其目標便是藉由RISC-V搭築與全球AIoT產業的重要橋樑,使台灣成為核心解決方案的領導供應鏈。

▲台灣RISC-V聯盟由企業發起協助下成立,成員持續增加中。

台灣RISC-V聯盟甫成立,便積極參與國際交流,並舉辦專業論壇,如2019年五月「RISC-V X AIOT智慧解決方案論壇」;十一月由RISC-V基金會中國顧問委員會主席方之熙博士邀請台灣RISC-V聯盟會長王其國總經理出席參與深圳「第一屆中國RISC-V論壇」暨「RIOS揭牌儀式」;近期更前進日本ET/IOT嵌入式暨物聯網技術大展,協辦「台灣AIoT創新應用研討會」。會中不僅志在打響台灣廠商的知名度,也力邀日本業界廠商加入RISC-V基金會,搭上最新的RISC-V嵌入式處理器潮流。力晶集團創辦人暨台灣IoT協會理事長黃崇仁博士及晶心科技總經理、台灣RISC-V聯盟副會長林志明皆受邀於ET大會與台灣AI研討會演講,分享半導體產業的變革、RISC-V架構富饒的生態系與新一代AI應用,會場吸引了數以百計之日本半導體從業人員參與。

▲王其國會長於第一屆中國RISC-V論壇介紹台灣RISC-V聯盟現況與發展。

關於RISC-V應用演講中,林志明副會長介紹了系列嵌入RISC-V的AI應用與台灣廠商可提供的AIoT解決方案,包括聯發科技為業界提供智慧家庭、智慧城市和智慧工廠三大領域的解決方案、智邦科技的雲端資料中心解決方案。他強調,國內外業者可透過台灣RISC-V聯盟與台灣半導體產業合作,由台灣廠商負責提供專業、完整、成熟的RISC-V晶片開發服務,各司其職,將能提高日本AI晶片和IC設計開發的成本效率。

▲林志明副會長於2019日本ET/IOT技術展分享RISC-V AI晶片的多元應用。

七、快速建置RISC-V應用,增強台灣IoT的生態環境


台灣RISC-V聯盟的成立無異為RISC-V社群帶來極大的貢獻,也建立了亞太地區與台灣半導體產業RISC-V發展的重要里程碑。而近來隨著RISC-V蜚聲國際,全球區域性的RISC-V生態社群應運而生,其共同目標便是推動RISC-V架構生態系統不斷擴大。台灣RISC-V聯盟致力於打造台灣接軌國際RISC-V產業鏈的橋樑,可望透過確立聯盟標準,並舉辦相關研討會活動與提供專業的顧問服務,成為廠商強而有力的後盾,以幫助台灣科技產業加速搭上RISC-V潮流。

1.透過台灣RISC-V聯盟與全球聯盟共享RISC-V 產業鏈
RISC-V熱潮方興未艾,全球除了國際性RISC-V基金會外,亦於各國、各地區陸續成立RISC-V區域聯盟(如2018年在中國相繼成立的中國RISC-V產業聯盟、中國開放指令生態系統聯盟),各自舉辦區域性活動。台灣RISC-V之供應商、IC設計公司或下游之應用廠商、學界,更應積極加入台灣RISC-V聯盟,並透過參與聯盟之重要活動、演講與工作坊,隨時掌握最新全球RISC-V趨勢與應用。更可透過彼此之交流,聯繫相關應用之供應商以促成合作,推出創新、跨領域的RISC-V應用。 

2.協力發展聯盟標準以達成產業共識
除提供整體產業發展之展望與目標外,台灣RISC-V聯盟可主導建立地區RISC-V之標準,凝聚產、官、學、研之力,加強建立國際產業標準交流合作管道與參與標準組織活動;亦協助會員立足產業資訊制高點,領導不同專長會員與廠商之視角延伸至技術、創新、研發等各個層面專業分工,發揮相關領域廠商之優勢,彼此互補,共見、共建並共贏。

3.成立專業顧問委員會並建立入口網站,指引台灣廠商導入RISC-V
藉由台灣RISC-V聯盟對內招賢納士,邀請業界精英加入顧問委員會。不僅可以提供專業的顧問諮詢服務,幫助廠商排除猶疑,更快速、輕易地入門RISC-V;將顧問服務接洽之經驗及各廠商之意見與問題匯集,並建立入口網站(Web Portal)整理、儲存並呈現,除了可以讓客戶根據需求檢索以取得相關資訊且進一步預約諮詢,更可整理不同領域廠商之資訊,深入且更精確地分析RISC-V潛在客戶,且對RISC-V基金會因地制宜的教育與應用推廣策略提供指導意見,以進一步加速推行RISC-V 生態系統在台灣的發展。

4.舉辦行銷活動及工作坊,加強宣傳RISC-V
台灣RISC-V聯盟可利用行銷活動(Events)、工作坊(Workshops)的舉辦,以及建立社群(Community)、發行電子報等方式,使台灣學界、產業界擁有互相交流RISC-V與協作的公開、透明化場合及平台;也可實際提供最新趨勢和應用予以RISC-V愛好者並吸引潛在客戶的興趣。例如聯盟會員晶心科技每年舉辦的RISC-V CON,旨在與世界各地RISC-V愛好者分享RISC-V最新應用與趨勢,同時宣傳自身產品與品牌知名度。研討會上邀請產業界專家與供應商進行主題演講與實機展示,聯盟協助透過官網、社群、電子報郵件推播公布議程與演講主題吸引參與者報名。而同樣藉由台灣RISC-V聯盟與其會員定期舉辦的RISC-V推廣活動,亦將能有助於加速點燃台灣RISC-V話題熱度,並可望透過定期的電子報、產業專題期刊、RISC-V論壇報導等推播,使其持續升溫。

▲2019年5月聯盟會員晶心於新竹舉辦RISC-V CON,吸引許多產學界蒞臨。

八、RISC-V ISA在台應用案例
在台灣,除了晶心科技在RISC-V IP領域繳出亮眼的成績單之外,許多大廠公司亦紛紛投入RISC-V此一新興領域,包括台灣記憶體產業龍頭力晶集團(Powerchip)和新創公司嵌譯科技(Peakhills Group)。

案例一:力晶集團
力晶集團於2019年12月Computing in Memory技術平台發表會上,宣布推出嵌入RISC-V CPU記憶體之單晶片產品。Computing in Memory為力晶集團整合旗下力積電、愛普、智成電子與智慧記憶科技等技術資源發展而成的技術平台,又稱AIM (AI Memory)平台。AIM平台創新在DRAM(動態隨機存取記憶體)中嵌入CPU,其應用之CPU包括RISC-V系列。將中間CPU與DRAM中間的IO(輸出、輸入介面)除去,再將無線網路功能整合進單一晶片中。

力晶集團創辦人及現任董事長黃崇仁博士指出,Computing in Memory 平台技術將微處理器嵌入記憶體構成的單晶片,於未來可導入雲端伺服器、邊緣運算、物聯網、自動駕駛、靈巧化 AI 機器人、自動化系統及 AI 臨床醫療檢測等領域,預期在 5G 商用浪潮中建立新的產業生態系和獲利模式,積極搶攻 AI、IoT與大數據雲端伺服器等應用商機。智成總經理黃振昇則表示,由於 DRAM 儲存密度、存取速度和成本優於 Flash 和 SRAM 等其他記憶體,以在 1Gb DRAM 嵌入 RISC-V 微處理器之樣品為例,已成功驗證 Computing in Memory 平台技術在物聯網市場,能提供下游供應鏈廠商創造龐大的創新商機。此外,力晶集團也與國內學界合作,將 Computing in Memory 平台導入自動駕駛必須的動態影像辨識暨分析領域。該案例成功證明RISC-V可順利導入單晶片系統,並提高效能表現。

案例二:晶心發起之「EasyStart」聯盟及「FreeStart」計畫
由晶心科技發起之「EasyStart」聯盟,成員遍布全球,主要以設計服務公司為主,聯盟成員包括Alchip、ASIC Land、BaySand、CMSC、EE Solution、INVECAS、MooreElite、PGC、SiEn (Qingdao) Semiconductor、Silex Insight、Socle、XtremeEDA及三家不具名的合作夥伴(依字母排序)。這些公司涵蓋 90 奈米至 7 奈米的製程技術,有些公司則同時提供 SoC 設計和一站式服務,並以晶心科技的 RISC-V處理器核心為客戶提供完整RISC-V設計服務解決方案。

除此之外,晶心科技亦推出RISC-V FreeStart計畫,提供各界可以簡單又快速的方式得到商業等級RISC-V CPU核心N22而無需CPU IP前期授權費用,工程師便能設計出基於RISC-V架構的SoC。該計畫亦提供可選購一年的技術支援和預先整合的AHB平台及常用的周邊IPs,省下尋找供應商和整合設計的時間,還能利用晶心專業的軟體開發環境AndeSight™ IDE,加速整體開發速度。該案例可見得晶心致力推廣RISC-V,並給予極大的誘因提供尚未跟上RISC-V潮流的公司輕易的、低成本地加入該陣容。

案例三:嵌譯科技 
由國家矽導計劃科專團隊育成之嵌譯科技,推出了以RISC-V CPU Core結合Vector ISAs之TVM模組,可應用於AI領域,提供機器學習並具有後端自動生成及優化張量運算(Tensor Operations)之功能,其中RISC-V之P-extension 及V-extension被用於改善AI 模組中的效能。因為RISC-V ISA預留了客製指令集的空間,以便於加入Domain-Specific Architecture/Acceleration (DSA)擴充,以支援如人工智慧/機器學習、AR/VR、ADAS及新世代儲存和連網等設計。

該案例除了顯示台灣學界對於RISC-V ISA研究與應用的貢獻不斐,透過官方扮演產學研三方的溝通銜接橋樑,以計畫形式支持學界研發,再鼓勵其技轉,扶植新創事業的誕生,付諸研究結果於產業界,提升整體產業價值。而開源架構免費、高彈性的RISC-V非常適合且也持續地正在創新研發的台灣學界舞台上發光發熱中。


▲嵌譯科技致力AI領域的相關研發,包括其以RISC-V為核心的 TVM編譯器

九、結語
RISC-V搭乘全球AIoT潮流在半導體產業中急速成長,可應用的作業系統與日俱增。為有效掌握物聯網龐大商機,指令集架構的彈性與精簡模組化特色使RISC-V成為聯網應用的最佳選擇。RISC-V在開源架構、生態系統建設、合作夥伴建設及整體趨勢方面擁有巨大的優勢,透過RISC-V基金會與世界各地RISC-V聯盟的推廣下,RISC-V陣營迅速擴展。無遠弗屆的合作夥伴幫助企業提供客戶更加強大的產品與解決方案,冀望以極小化的資源產生更多應用。其生態圈已臻成熟,並成為SoC運算核心的主流架構。隨著台灣RISC-V聯盟的成立,賦予了台灣RISC-V供應商專業的交流平台,同時也照明了台灣半導體產業另一條可行之道,適時提供最新RISC-V趨勢與相關產品應用的資訊。期許在台灣RISC-V聯盟與其創始會員的共同努力下,能夠策略擴大台灣RISC-V聯盟的成員數與廠商參與度,如此將能汲取更多產學界的一手研發資訊與需求,供組織內部成員交流參考。並藉由聯盟的推廣、資源與眼見成效,提高台灣廠商加入RISC-V陣營的意願,推動台灣躋身世界級的RISC-V供應鏈。