2024世界新能源汽車大會上，長城汽車股份有限公司EE架構(gòu)總工程師曹常鋒介紹 了長城汽車RISC-V芯片的進(jìn)展情況，RISC-V在車用領(lǐng)域的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，以及《節(jié)能與新能源汽車路線3.0——車用RISC-V發(fā)展路線圖》。

以下是講演速記，在不改變原意基礎(chǔ)上略有刪減。

我今天分享的這個題目是RISC-V芯片在智能化汽車的應(yīng)用機(jī)遇與挑戰(zhàn)。第一個就是大家也非常清楚，就是說我們的整個汽車芯片的應(yīng)用這個量是非常多的，那么我們從燃油汽車的500顆左右逐漸過渡到自動駕駛的1000多顆，然后未來到L4級別會達(dá)到3000多顆，所以整體的提升率非常大。據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，2030年整個智能汽車的滲透率將會達(dá)到70%以上。

整體芯片應(yīng)用的規(guī)模到2030年將達(dá)到290億美金。我們在應(yīng)用的過程中有哪些的困難和挑戰(zhàn)，機(jī)遇又在哪里？

01.

國產(chǎn)替代遇架構(gòu)問題，RISC-V優(yōu)勢顯現(xiàn)

對長城汽車來說，我們有完整的零部件的一個布局，從底盤到智能化，都有全產(chǎn)業(yè)鏈的一個布局。在這個過程中，我們也是積極的引入國產(chǎn)芯片，到2023年的時候，我們的國產(chǎn)化芯片率已經(jīng)達(dá)到17%，所以整體的應(yīng)用的這個國產(chǎn)化芯片率是比較高的。

在國產(chǎn)替換過程中，我們也付出了非常大的代價。在應(yīng)用很多的國產(chǎn)芯片過程中，也遇到了一個非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，就是大部分的國產(chǎn)芯片它在工具鏈和軟件的生態(tài)上不統(tǒng)一，導(dǎo)致我們的替換成本是比較大。另外它的質(zhì)量的問題也比較多。在這個過程中，我們也是跟業(yè)界的專家和學(xué)者一起來討論，就說應(yīng)該是走什么樣的一個路線才能解決這些問題，后來分析發(fā)現(xiàn)RISC-V可以實現(xiàn)芯片架構(gòu)的統(tǒng)一。

所以在這個基礎(chǔ)上，我們也是積極的探索RISC-V芯片的相關(guān)應(yīng)用，并開始采取實際性的動作。

02.

RISC-V剛起步，各國搶占制高點

從RISC-V的發(fā)展來講，就各國都在做很大的投入，中國有機(jī)會RISC-V發(fā)展浪潮中搶占一個制高點。

2018年，美國就推出了DARPA ERI項目，將RISC-V列為重要支持項目。2019年，中國以中科院為主體單位進(jìn)行了先導(dǎo)項目的一個導(dǎo)入，那么歐洲、俄羅斯和這個印度也都是發(fā)布了不同的政策來支持RISC-V的發(fā)展。

從整個RISC-V發(fā)展來講，它最大的特點就是靈活性、開放性，其最早是從物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開始切入，年復(fù)合增長率達(dá)到114.9%，僅用12年就走出了過去傳統(tǒng)架構(gòu)30年的發(fā)展歷程，可見其發(fā)展速度之快。

對中國汽車行業(yè)來講，中國需要一個自主的可控、高效的生態(tài)，那么RISC-V有可能是下一個落腳點。從RISC-V的這個發(fā)展的特點來講，它有4大特點——開放性好、擴(kuò)展性好、沒有技術(shù)限制，以及創(chuàng)造空間比較大。

因為這些特點RISC-V也是入選了美國MIT的科技評論，被評為2023年十大突破性的技術(shù)。那么對此就是MIT的評論“芯片設(shè)計正在走向開放、靈活、開源的架構(gòu)，RISC-V有望成為改變這一切的芯片設(shè)計?！彼栽u價是相當(dāng)高的。RISC-V最基礎(chǔ)的兩大特征，第一個特征就是它具備有開放性，主要它是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)，任何一個國家或者個人或者一個企業(yè)，你都可以免費的使用RISC-V的指令集，并且RISC-V的基金會，也在2020年的時候搬到了第三方中立國瑞士。

瑞士RISC-V基金會做了一個聲明，表示任何的這個單一的國家或者企業(yè)，他都沒有辦法對RISC-V進(jìn)行使用限制。所以我們認(rèn)為它是一個非常好的、開放的標(biāo)準(zhǔn)。

第二點，它是模塊化的，RISC-V基本的指令集只有47條，就是這個綠色的部分，其他的部分都是可以根據(jù)需求自由組合，就類似于樂高積木的方式，可以隨意組合，這個與我們買的其他架構(gòu)就有很大的不同：其他的架構(gòu)都是別人做好的，做好之后你不能做任何的刪減，失去了創(chuàng)新的可能性，這也是我們看好它的主要原因。

另外從RISC-V具體的指標(biāo)特性來講，美國的伯克利大學(xué)對比了兩個RISC-V核與同級別的ARM核進(jìn)行對比，他們在同等工藝、同等主頻情況下，RISC-V的PPA的指標(biāo)都相對比較好，就PPA第一個P是指的是性能，從對比情況看，它的性能提升比較高。

從我們實際實踐上，我們第一顆紫荊芯片M100，我們實測的跑分達(dá)到2.42Coremark/MHz，對于競品我們提升了38%，我們從實際做的情況下確實是性能提升非常多。

第二點die size方面，面積方面，它也是占用面積比較少的，從我們實測的紫荊M100的這個面積測算的成本來講的話，我們基本上比競爭對手低了20%，也是非常好的一個指標(biāo)。

第三個就是功耗。功耗上面RISC-V也是比較優(yōu)異的。

03.

落地車規(guī)，挑戰(zhàn)不小

不過RISC-V落地車規(guī)上面，那么它的挑戰(zhàn)性還是比較大的。

第一個挑戰(zhàn)就是嚴(yán)格的認(rèn)證。因為車規(guī)芯片使用的場景和消費里有很大的不同，比如說溫度，車規(guī)的溫度要到-40~125度，甚至到150度，消費類的產(chǎn)品或者工業(yè)類的產(chǎn)品只要到85度，所以這有很明顯的不同。

第二個挑戰(zhàn)是震動、靜電、濕度這方面也有很大的不同。

另外兩個顯著差別，一個是不良率，車規(guī)的要求是要1dppm就是百萬分之一的這個這個故障率，消費類來講就是沒有這樣的一個需求，這個需要通過縱向設(shè)計、流程來保障，才有可能實現(xiàn)，通過挑片的方式實際上是實現(xiàn)不了的。

第三個壽命，車規(guī)芯片一般要壽命在10年以上，消費類、工業(yè)類都是3~5年，所以這也是一個明顯的不同。

那么為了應(yīng)對這些差異，行業(yè)內(nèi)也有不同的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，來約束這些產(chǎn)品。

第一，我們要求制造的工廠它要通過IATF16949的認(rèn)證；第二，整個芯片要通過AEC-Q100的認(rèn)證，模塊要通過AEC-Q104的認(rèn)證，另外還有汽車領(lǐng)域功能安全I(xiàn)SO2612的認(rèn)證。這些這個條件附加之后，車規(guī)芯片和消費類芯片的設(shè)計就會產(chǎn)生巨大差異，一般來講消費類的設(shè)計周期為24個月，但是我們車規(guī)級的就要增加1.5倍，要達(dá)到36個月。

第二，就是汽車特有的功能安全的開發(fā)，這個也是消費類不具備的。我們需要根據(jù)車規(guī)應(yīng)用的需求做很多不同的應(yīng)用的保障，避免它的系統(tǒng)性失效和隨機(jī)性的一個故障。

首先是，系統(tǒng)性的失效，我們一般是要通過流程設(shè)計來預(yù)防過程失效。

二是，隨機(jī)性故障，是在硬件的生命周期服從不同概率分布的故障。這些故障我們就要通過安全機(jī)制來保障。

比如，常見的采用一個雙核鎖步的措施，雙核鎖步第一點就是說我們需要通過兩個核的不同的校驗，來應(yīng)對兩個核算算法是算的結(jié)果不同。第二點我們還需要把這個核作為一個物理的這個旋轉(zhuǎn)90度來避免出現(xiàn)錯誤是一樣的，我們通過物理方式來改變就不可能出現(xiàn)一樣的故障。我們對于整個的IP的選型也都需要通過功能安全相關(guān)的認(rèn)證，這些都會顯著的增加設(shè)計的一個成本。

三是，AEC-Q100的測試，這也是最大的一個問題。有兩個問題，一是，它可能大部分是通過篩片的方式來實現(xiàn)的，那篩片的方式點就是說它的大部分它不是統(tǒng)一批次的芯片，而是不同的批次來過這個測試的認(rèn)證；二是，它通過的測試認(rèn)證過程中，還有一部分的測試項是自聲明的，因為本身AEC-Q100測試可以自聲明，沒有通過正向的設(shè)計的流程來保障，這也是問題頻發(fā)的一個原因。

04.

車用落地路線圖

基于上面的一些這個這個問題和這個測試，我們也是對于我們的上車路徑做了一個思考和實踐。

第一點，由長城汽車牽頭做了國家《節(jié)能與新能源汽車路線3.0-汽車RISC-V技術(shù)發(fā)展路線圖》的撰寫。我們提出了這個三個階段的發(fā)展目標(biāo)，也是得到了專家的一致認(rèn)可。第一階段，我們認(rèn)為到2030年可以達(dá)到RISC-V基礎(chǔ)構(gòu)建與初步應(yīng)用的階段，在這個階段芯片的中低端IP能夠?qū)崿F(xiàn)全覆蓋，RISC-V的生態(tài)系統(tǒng)可以能夠覆蓋到這些使用范圍。

第二個階段我們到2035年綠色發(fā)布的技術(shù)成熟與廣泛應(yīng)用的階段，在這階段我們希望高端的IP都能夠覆蓋，生態(tài)也能符合我們這個階段的一個發(fā)展的需求。

第三階段，到2040年，我們希望RISC-V能夠達(dá)到全球有影響力的階段。我們這個時候希望IP的性能能夠領(lǐng)先于同類競品，同時做到生態(tài)非常豐富和健全。

從上車路徑來講，雖然RISC-V有很多的優(yōu)勢，但是仍然需要提升安全、強(qiáng)化生態(tài)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以我們建議也是逐步的發(fā)展。

第一個階段我們希望是從邊緣的節(jié)點，單核的控制，比如說顯示控制、車門的控制、燈光的控制，逐漸做到多核控制，包含電子后視鏡，數(shù)字儀表、車身控制這一階段；然后未來再逐漸過渡到領(lǐng)域的專用計算，包含到跨域中央計算，例如智能駕駛、座艙、中央網(wǎng)關(guān)的計算，這個是關(guān)于發(fā)展路徑的思考。

從實踐上來說，我們希望通過開源的方式來實現(xiàn)這一發(fā)展路徑。因為開源的方式它可以大幅降低芯片設(shè)計的人力、EDA 、IP和時間成本。

從整體的測試來講，就90%的功能是復(fù)用了，然后只有10%的代碼是定制開發(fā)的。

我們也是做了相關(guān)的一個實踐，我們在2023年的11月份的時候，我們是和北京開源研究院然后簽署了全面的戰(zhàn)略合作關(guān)系。

05.

關(guān)于紫荊M100 MCU

我們也是和北京開源芯片研究院一起做了紫荊M100的一個開發(fā)的工作，然后同時我們也是和國創(chuàng)中心開展了全面的這個戰(zhàn)略合作，我們是把功能安全的認(rèn)證，包含AEC- Q100的檢測，以及國產(chǎn)化芯片的選型入庫，都和國創(chuàng)中心做了深入的交流，也是把工作進(jìn)行了相應(yīng)的落實。

在9月20號的時候，長城也是正式宣布點亮了我們首款國內(nèi)基于開源RISC-V架構(gòu)的車規(guī)級芯片。這個芯片我們是和北京開源芯片研究院合作的，同時也是長城汽車培育的首顆的技術(shù)芯片，依托開源的架構(gòu)來保障了我們的架構(gòu)拓展的可能性。

我們第一個芯片是在曼德大燈上點亮的，我們是根據(jù)我們實際的需求場景，然后進(jìn)行了聯(lián)合的定義和開發(fā)，所以整體的開發(fā)的工作也是非?？焖俚摹?/p>

我們從23年的10月份開始立項，然后到24年的3月份，然后大燈就點亮，并且我們是向中央領(lǐng)導(dǎo)做了匯報，中央領(lǐng)導(dǎo)也是非?？隙ǎ覀冞@個信念和這個開心苑的這個創(chuàng)新的合作模式。也是只是我們和開心院一起來制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)工作。然后我們在20年的這個9月份，然后就點亮了芯片，然后不到12個月的時間。相較行業(yè)大概縮短了6個月以上。

創(chuàng)記錄的一個研發(fā)思路，這也是得益于開源的這個合作模式，這個芯片還是國產(chǎn)化程度最高的芯片。芯片所有的核心IP都是自研的，CPU的核也是基于自主可控的指令集進(jìn)行的研發(fā)，芯片的制造和封測都在國內(nèi)。核心的軟件，例如配套的軟硬件的算法是自研的、M-CORE也是長城自己開發(fā)、定義算法庫也是自研的，所以整體的國產(chǎn)化程度非常高。這個芯片出來之后，我們長城也是明確未來5年的搭載量不止不低于250萬輛車，所以整體這個長城汽車對于這個芯片是給予了非常大的一個支持和投入了非常大的資源。

06.

長城關(guān)于RISC-V的規(guī)劃

長城整體的芯片規(guī)劃和發(fā)展方面，紫荊M100主要是車身的控制，比如說空調(diào)的控制模塊、大燈控制模塊、HUD，還有一些燈光的控制。

未來我們會推出紫荊M200的芯片，主要覆蓋動力和底盤的應(yīng)用，包含我們的ESP車身穩(wěn)定系統(tǒng)，EPS電子這個助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

未來的紫荊M300將在這個動力底盤應(yīng)用的基礎(chǔ)上還會擴(kuò)展應(yīng)用，然后我們會擴(kuò)展到域控制器。我們紫荊S300未來會在這個中央控制單元以及我們的CPU這樣主控上面會應(yīng)用。

我們也希望通過我們這些的芯片，可以擴(kuò)展到HI4的定制化需求。

同時也需要說明一下，我們的芯片不單單是長城自用，我們也會開放給其他的車廠，希望業(yè)界共同來使用。目前我們的很多的主機(jī)廠都與我們聯(lián)系，包含很多的Tier1、代理商對我們芯片很關(guān)注。未來持續(xù)進(jìn)行芯片方面的投入，繼續(xù)深化RISC-V的布局，我們會逐漸從MCU的布局轉(zhuǎn)變到SoC的布局。

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