中興事件結束之後不到兩年,中美貿易戰白熱化,這次有更多中國科技廠商遭到禁運處置。然而中國在這兩年間並沒有發展出真正意義上完全自有的產品,舉例來說,現時所謂自有處理器架構,基本上都還是來自於Arm、MIPS或者是X86的授權。
AI方案火熱,雖然中國業者紛紛設計自己的加速晶片,但上面執行的依然是來自Google、Facebook的框架,而自產AI加速晶片依然是以老舊的脈動陣列(Systolic Array)架構為主,只是在周邊或者是記憶體的使用進行調整,沒有獨有的專利或其他特殊之處,因此在中國市場,即便針對雲端AI運算的ASIC加速方案此起彼落,但NVIDIA的GPU方案依然占據高達九成的市場。
中國前兩年的自有潮流雖不能說完全沒有發揮作用,但效果相當不明顯。
也因此,當出現了RISC-V這個彈性高、免授權費,且商用機會大的架構之後,整個市場也紛紛投入研究與開發,推動相關生態的發展。
RISC-V衝擊既有處理器IP授權生態
前面也提到,在核心的處理器架構方面,Arm、MIPS以及X86仍是中國處理器方案的主流,2017年之前總和占據接近百分之百的市場。
不過在2018年,情況開始有了改變,RISC-V正式進入中國市場,雖然在此之前就有部份中國晶片業者使用RISC-V指令集設計產品,但因為市場不熟悉該架構,應用並不廣。而隨著中國RISC-V聯盟的成立,以及SiFive攜手晶心進入中國市場,SiFive也在中國成立SiFive China獨立子公司,主導在中國的業務發展,一時之間掀起了廣大的開源架構風潮。
SiFive或晶心賣的是已經設計好的IP,採用他們設計好的架構需要支付授權費,但是SiFive以及其他RISC-V的IP供應者,都只收取一次性的授權費用,往後晶片生產就不需要根據銷售量額外支付一定比重權利金。而若廠商技術能力足夠,也可以直接拿RISC-V指令集來發展自己的架構,而RISC-V指令集還定義了擴展指令集,只要符合規定,廠商可以自行定義相關指令集的內容和形式,形成高度客製化的方案。
重要的是,採用此法設計出來的處理器產品完全不需要支付任何授權費或者是支付權利金,相較之下,如果使用同樣的授權方式,採用Arm的指令集來客製化自己的處理器,以最高階的方案為例,入門費用和授權費用可能就需要高達數千萬美元,更不用說後續權利金的收取。
然而,指令集雖免費,還是需要有其他外部成本的配合才能形成產品,且多數中國晶片設計業者都沒有自行使用指令集來設計處理器架構的能力,因此最終還是只能買現成的IP,但不論如何,較低的授權費,以及不需要權利金的先天優勢之下,開源架構的概念在中國瞬間火紅了起來,包含華為海思、阿里巴巴等超過300家科技業者都加入相關的聯盟或者是投入架構發展。
Arm首當其衝 因應策略效果仍待觀察
既然看到「免費」商機,既有的處理器IP業者也緊張了起來,Arm在處理器IP供應市場中獨占鼇頭已久,當免費指令集當道,自然受傷也最重。
對客戶而言,一來隨著晶片銷售額的成長,如影隨形的權利金會成為獲利殺手,另一方面,客戶其實也不願意讓Arm藉由收取權利金的理由對自己的銷售成績瞭若指掌。採用免授權金的架構,那麼一來節省成本,二來又可以確保市場成績不被Arm知悉。
為了因應挑戰,Arm在授權策略也進行了一定的調整和改變,比如說過去客戶選擇一種特定的晶片設計方案時,必須預先支付一定數量的許可費,價格可能從幾萬美元到數百萬美元,之後在晶片投產後按晶片數量再收取授權費以及權利金。
但對於晶片公司來說,準備好送到晶片代工工廠的最終設計方案可能需要半年至一年的時間才能完善,客戶在晶片實際開始交付之前很久就支付了大筆預付款,對營運成本造成壓力,中大型企業可能還有其他業務收入支撐,小型企業可能根本無法負擔。
為此,Arm宣佈了一項新收費模式,晶片製造商可以較低的一次性費用獲得約該公司四分之三的技術和晶片設計方案組合。後續,只有當晶片準備好生產並開始發貨時,才需要向Arm支付許可證費用和專利費。
作為IP授權業界的老大哥,Arm在生態、開發工具以及製造方面的支援不是免費架構所能相提並論,但如果坐看競爭者蠶食市場,那最終生態優勢可能會被翻轉過來,為此而進行的策略轉變看來只是收費順序的轉換,多數IC設計業者可能不會有太多感覺,但是在中小型業者身上應該可以發揮一定作用,只是效果仍待觀察。
MIPS與IBM跟進免費授權
也由於免費指令集掀起廣泛的討論,業界也認為其可創造的商業價值不下於傳統的Arm授權方式,就連過去也走Arm授權模式的MIPS和Power Architecture也加入了免費指令集的行列。
MIPS是個具有非常悠久歷史的架構,過去在高性能運算、網通設備以及各類嵌入式架構產品中非常普遍,而在特定的技術領域方面,比如說單一核心多執行緒的設計也要優於Arm。然而在Arm架構的侵略之下,市場不斷喪失,加上商業策略失敗,導致目前僅能退守少數應用領域,且仍不斷被Arm架構所侵蝕。
而在遭遇市場挫折之後,一度被Imagination所收購,但Imagination在MIPS生態上並沒有很好的開發出更廣泛的應用,加上和蘋果的合作將在不久候終止,可能會喪失大筆收入來源的Imagination也只好斷尾求生,將MIPS買給美國新創公司Wave Computing,隨後也將自己賣給了中資公司。
MIPS在今年稍早提出了指令集免費授權方案,同時也免除了權利金的收取,同時也將中國市場的經營權授權給芯聯芯,這個作法其實和SiFive在中國創立獨立公司,以及Arm在中國創立Arm mini China有著異曲同工之妙。
而IBM也在8月宣布透過OpenPower基金會開放Power Architecture,同樣採用類似RISC-V的授權模式。二者除了指令集免費授權以外,也提供了既有的IP授權模式,但同時免除了權利金的收取,希望能仿照RISC-V掀起的熱潮,藉此取得更大的市場空間。
Power架構過去在高性能計算領域一直擁有重要地位,只是市場參與者太少,基本上就是IBM自己在玩,雖然在不少技術特性方面可和英特爾一較高下,但巧婦難為無米之炊,截至目前為止,其在相關市場的占有率也不過在1%左右。
過去Power架構一直是由OpenPower基金會在推動,提供類似Arm架構的授權方式,在收費方面一直也都比Arm架構低,但因為應用冷門,且缺乏廣泛的軟體支援,市場應用者少之又少,而其近年在中國市場的耕耘也被其他如RISC-V等聲量更大的開放架構所掩蓋,為了避免進一步被邊緣化,IBM也決定跟隨RISC-V以及MIPS的腳步,開放其指令集。
而這次所謂的開放,就是要效法RISC-V,在指令集層級的使用方面完全免除版稅。另一方面,為了強調Power架構在周邊IP的完整性,同時讓指令集授權可以更快速轉換成可商用產品,除了開放原始碼的Power架構指令集之外,IBM 還將提供多種其它技術,包括 Power架構的軟核實現(Softcore Implementation)、與架構無關的開放式相干加速處理器介面(OpenCAPI)、以開放式記憶體介面(OMI)的參考設計。
國際IP授權商在中國展開切割布局
目前貿易戰打得火熱,這些IP業者,除了Arm以外,其原始指令集架構的發明都是來自美國,而即便是Arm,也有多個IP研發團隊在美國,因此,不論是指令集,或者是IP架構,都可能會踩到美國的貿易限制,如果貿易戰全面開打,那麼以上這些IP授權業者恐怕必須馬上退出中國市場。
為了避免這種最壞的狀況發生,這些公司採用了在中國設立獨立運作的公司,或者將經營權授權給當地公司,若母公司受到禁運限制,那麼理論上在中國的子公司還能持續以現有的指令集基礎開發IP,並提供授權服務。
RISC-V基金會曾表示,即便在最壞的情況下,指令集不會遭受禁運限制。而在此前提下,若自行以開源指令集開發IP,不論未來貿易戰發展到什麼程度,基本上都不會受到影響。
目前SiFive就在中國開設了一家獨立營運的公司,而MIPS則是將IP的授權及營運授權給中國本地的公司,就如Arm在中國和當地政府合資創立Arm mini China子公司一樣,都是為了規避貿易戰風險。
然而是否真能完全避免貿易戰的影響,恐怕還是要取決於美國對技術輸出的態度,若連上游製造都涵蓋進去,即便有獨立的經營體系,恐怕還是難逃制裁。
RISC-V發展最快 MIPS/IBM仍待觀察
目前RISC-V架構在中國已經建立起聯盟,進入中國市場的相關IP供應者也有不少,台灣晶心、芯原,以及最近最受關注的SiFive,都已經積極布局相關市場,提出不少方案。前不久阿里巴巴旗下的平頭哥發表基於RISC-V的高性能IP玄鐵910,可以達到16核配置,並可在2.5GHz的時脈下運作,而其IP和自訂的擴充指令集都將完全開放,這也代表中國隊RISC-V,除了既有IP供應業者之外,也積極布局完全自有的IP,這對SiFive之類的業者而言也都是挑戰。
雖然平頭哥的架構與IBM或者Arm的高性能架構比較起來還是明顯不足,但也已經是RISC-V中少見的高性能架構了。不過目前該架構仍然還在驗證與測試階段,短時間之內沒有商用的可能,但這也已經代表中國廠商希望以RISC-V布局更廣應用的決心。
若以整體局勢觀察,RISC-V目前氣勢的確強大,但實際商用腳步仍僅限小規模低功耗產品,整體市場表現以及相關產值仍遠遠落後於Arm,而MIPS及IBM之所以推出開放指令集授權方式,截擊的意味極重。
但考慮到目前RISC-V已經聚集了Google、高通、NVIDIA、三星、WD等一線半導體大廠,背後潛藏的研發能量極為龐大,若再慢一步,恐怕不久之後就連高性能計算也可能被RISC-V所取代,而這也是IBM決定在MIPS之後,跳進開放指令集架構處理器授權市場中的最大原因。
Arm壓力大 業務模式被迫調整
至於背腹受敵的Arm,雖然憑藉著成熟生態積極展開行銷戰,但既有授權模式以及指令客製化彈性的缺乏,使其面對這些開源架構,也逐漸落於下風,其主要客戶都已經逐漸轉向RISC-V。
雖然主要的運算核心,如高階Cortex-A系列仍然統治著行動運算領域,但低階的M系列,甚至針對即時運算的R系列,都面臨極嚴苛的挑戰,在RISC-V的壓力下,當初軟銀收購Arm時所誇下的海口,恐怕會複製當初伺服器市占宣言的窘況:Arm在幾年前曾宣稱要在2021年占據伺服器市場25%的比重,但至今仍未超過1%。
為了保住IoT市場的優勢,或許Arm會在未來提出更激進的授權計畫,不僅要打入更大的市場,也同時要阻擋免費架構繼續攻城掠地,影響Arm的市場布局。
在中國市場,Arm mini China主要針對的就是IoT市場,除了有自己的架構研發團隊,在授權條件上也要優於Arm全球的其他市場,然而中國市場雖大,如果因為其對中國市場的授權優惠而影響了其他國家的客戶,對Arm而言恐怕也是得不償失,也因此,或許Arm應該考慮改變授權形式,將預期營收來源轉移至其他服務部份。
事實上,Arm已經宣布有限度地支援客製化的指令集,與RISC-V頗有異曲同工之妙。通過Arm強大的設計能力來對抗RISC-V的其他IP競爭者,當然,這對於保守的Arm,肯定會是一大挑戰。