技术文章—保卫计算机架构的新黄金时代

　　沐鸣2RISC-V社区正在转向一个全新的安全创新平台，以期凭借出色的简便性最大程度地减少攻击面，同时让设计者能够自行评估开源架构的安全性。RISC-V平台及其安全协议栈可助力开发人员打造全新的解决方案，从而在如今互连设备激增犹如“蛮荒西部”一般的环境中抵御像Meltdown（熔毁）和Spectre（幽灵）这类难以规避的漏洞。

　　在2018年6月举办的第45届计算机架构国际研讨会上，计算机先驱David Patterson和John Hennessy在他们的图灵讲座中介绍了“计算机架构的新黄金时代”。他们描述的黄金时代包含以下四个要素：

　　RISC-V（读作“risk-5”）采用极具吸引力的开源指令集架构，可推动域特定的架构实现快速发展并提高该领域的投入，同时，它也成为了处理器安全性的重心。

　　这里介绍一些背景信息，自2014年12月起，Microchip的现场可编程门阵列（FPGA）业务部门一直致力于推广RISC-V。我们对RISC-V及其潜在能力的关注涉及多个层面，包括自由创新、掌控旗下处理器产品的未来发展以及降低成本。 这些层面属于内在因素，能够帮助我们凸显差异化，从而在市场竞争中脱颖而出。对我们而言，RISC-V还意味着一个全面把握处理器安全性的代际机遇。全面把握处理器安全性是一个协作性的外在层面，能够让全球顶级安全专家有机会开展合作，携手攻克大家共同面临的计算机安全问题。

　　我们在全面把握FPGA安全性的过程中能够获得丰富的经验，这有助于我们深入了解计算中存在的硬件安全威胁，同时应对业界在寻求这些威胁的解决方案过程中所面临的挑战。我们早在2008年就开始深入研究FPGA安全性，然后在2012年推出首款采用集成处理器子系统的FPGA并开始实现盈利。当时，为了让客户能够构建安全应用，我们需要创建一种从基础安全硬件开始的分层方法。这样，我们便可构建一个可实现设计安全或IP保护的层，随后客户可以依托该层建立应用层。在这一过程中，我们发现了边信道攻击的问题，例如可以轻松提取密钥的差分功耗分析（DPA）。我们因此成为了惟一部署由CRI（已被Rambus收购）提供的DPA对策的FPGA供应商。

　　之后，我们将在FPGA安全性方面的经验应用到了处理器安全状态上。结果发现，在几十年前处理器安全性尚未引起市场关注之时，处理器的基础硬件层就已经建立。当时的指令集架构（ISA）通过对脆弱的系统进行不完善的修补来应对安全计算不断增长的需求。我们当然也敏锐地意识到边信道的问题，尤其是微架构边信道问题，因为通过这些边信道，可以利用编程人员已屏蔽的处理器实现功能来泄漏信息。随着Spectre和Meltdown漏洞的公布，整个计算行业开始意识到微架构边信道问题带来的威胁，因此亟需重建计算机架构的硬件基础。

　　正如我所指出的那样，我们立即发现了RISC-V作为重建计算硬件基础平台的潜力，而发现者并非只有我们。在最早的一场RISC-V专题研讨会上，LowRISC和Shakti处理器项目组发表了以安全性为主要内容的演讲，自此之后，安全性一直是RISC-V的重要主题。这两个示例重点说明了RISC-V支持的协作范围。Shakti处理器项目由印度政府提供资助，对一些国家/地区而言，这是使用RISC-V赢得某种技术独立的一次良机，而LowRISC则由快速发展的开源硬件运动提供支持。RISC-V行业的活动在不断增加，安全相关的内容也随之快速增长，在2018年12月的首届RISC-V峰会中，55场会议中有13场涉及到安全性。

　　除了成为整个安全性会议的焦点之外，还有很多迹象表明，RISC-V ISA正在成为处理器安全性的重心。

　　DARPA正不断投资于RISC-V和安全性，并选择RISC-V作为其硬件集成系统安全（SSITH）计划的评估平台。

　　在RISC-V基金会，有超过30个成员拥有安全RISC-V产品，或者在为安全工作组做贡献。

　　基金会有两个技术工作组（加密和可信执行环境）正致力于创建RISC-V ISA扩展。

　　RISC-V基金会设立了安全性常务委员会，负责确认和协调多个方面的安全相关活动，包括将RISC-V作为理想的安全工具进行推广，以及就物联网（IoT）和嵌入式设备的最佳安全实践达成共识。

　　有30多个RISC-V基金会的成员拥有安全产品，或者参与了由基金会推动的安全活动。（由RISC-V基金会提供）

　　基金会安全常务委员会最显著的贡献是演讲人计划。基金会内部和外部的演讲人每月一次受邀就安全相关的各种主题发表演讲。来自Data61的一位演讲人Gernot Heiser提供了一个框架，此框架有可能指出RISC-V计算机安全性范例的呈现方式。Gernot和他在Data61的同事在早些时候对微架构边信道进行了深入研究，并于2016年撰写了一篇论文（A Survey of Microarchitectural Timing Attacks and Countermeasures on Contemporary Hardware）来描述基于攻击的分类法。

　　他们提出了一种称为“扩充”指令集架构（aISA）的抽象概念，可将软硬件之间的协议扩展到传统ISA以外，作为对比，传统ISA有意将时间和微架构的所有概念抽象化。相比之下，aISA加入了一些机制，允许应用程序二进制接口（ABI）对处理器系统的微架构状态施加更多控制。例如，这可能包含高速缓存刷新或分支预测逻辑运算，以提供针对高速缓存时序信道这类威胁的安全保障。

　　在我们定义并实现aISA后，就有机会创建我提到的RISC-V安全协议栈，这种协议栈起源于正式指定的协议栈要素的已正式验证实现中。该协议栈从硬件和基础ISA开始，一直扩展到实现aISA的层。而其中最重要的是安全微内核，它现在可以通过aISA访问微架构状态，并且能够实施抵御微架构边信道攻击的对策。

　　RISC-V革命已经开始，社区最初意识到的诸多未来可能已经变为现实，包括重建计算机安全的基础。Microchip与RISC-V基金会的成员合作，致力于推动这项技术的发展，我们对此深感自豪，而在RISC-V产品领域的领导地位和未来前景同样令我们骄傲。我们期待与社区深化合作创新，充分利用当前面临的代际机遇。

　　Ted Speers是Microchip的技术研究员，负责为低能耗、安全、可靠的FPGA和SoC FPGA定义发展路线年加入Microsemi（已被Microchip收购），负责过程工程和产品工程，之后于2003年开始担任现职。Ted是35项美国专利的共同发明人。在加入Microsemi之前，他就职于LSI Logic。他拥有康奈尔大学化学工程学士学位。自2016年成立以来，Ted一直是RISC-V基金会董事会的成员。关键字：RISC-V引用地址：技术文章—保卫计算机架构的新黄金时代

　　瑞萨电子携手SiFive共同开发面向汽车应用的 新一代高端RISC-V解决方案 瑞萨电子获得业界领先的SiFive RISC-V核心IP组合使用授权 2021 年 4 月 21 日，日本东京和美国加利福尼亚州圣马特奥讯 - 全球半导体解决方案供应商瑞萨电子集团（TSE：6723）与先进RISC-V处理器和芯片解决方案供应商SiFive公司今日共同宣布，将合作开发面向汽车应用的新一代高端RISC-V解决方案。战略合作内容包括瑞萨电子将获得SiFive RISC-V核心IP组合的使用授权。 瑞萨电子高级副总裁、汽车电子解决方案事业本部总经理片冈健表示：“RISC-V是为新老客户提供附加功能与选择的重要元素。我们很荣幸

　　解决方案 /

　　壹. RISC-V的简单介绍 RISC-V（念做 Risk-Five）是一种起源于UC Berkeley大学，具有High Quality（高质量）、No license fee（无授权费）、No Royalty（无权利金）等主要特点的RISC ISA（指令集架构标准）。 图片源自：AdobeStock RISC-V标准是由非营利性组织RISC-V基金会维护。RISC-V ISA适用于从微控制器到超级计算机的各种计算体系。在现今的RISC-V业界已经有了很多商用及开源的CPU core，工业界及学术界都在迅速采用该指令集架构，更重要是获得越来越多高速成长且用户共享的软件生态支持。更有趣的是，RISC-V生态是一个不

　　为 AI 边缘计算晶片发展锦上添花 /

　　BBC开发了一款儿童编程“电脑”，该电脑采用SiFive RISC-V芯片。 这款名为Doctor Who HiFive Inventor的产品将让孩子们亲身体验电子和编程的乐趣，附件包括了：电缆和连接器、传感器、LED颜色矩阵、按钮、电池组、Wi-Fi和蓝牙连接。 最重要的是，它包括了由Jodie Whittaker讲述的编程课程，他在轰动一时的家庭科幻系列片中扮演一位博士。 明确地说，其目的不是提供一个完整的通用计算机，而是一个初学者的学习辅助工具，就像BBC的Micro:bit一样。您可以使用Tynker编程平台来控制它，使用可视化构建块来形成程序，或者编写代码，如Python。 正如你所看到的，电路板的形状

　　内核的STEM教育平台HiFive Inventor /

　　IAR Systems和兆易创新宣布了一项新的合作，IAR将为兆易创新的RISC-V的微控制器（MCU）提供开发工具。 IAR产品经理Thomas Andersson在一份新闻稿中说：“我们对与兆易创新的合作感到非常兴奋，我们将为他们屡获殊荣的RISC-V 32位处理器提供领先的开发工具支持。兆易创新处理器和IAR Embedded Workbench的结合为RISC-V社区增加了强大的设备和开发工具。” 随着RISC-V技术的扩展，对开发工具的需求也在增加。IAR和兆易创新通过将IAR的编译器和调试器技术与兆易创新基于RISC-V的MCU相结合来满足这一需求，可解决希望从事RISC-V开发却缺少相关开发工具支持的局面。

　　2022年关于RISC-V的进展中，哪件事最令人振奋？阿里平头哥副总裁孟建熠没有提及任何产品创新，而是认为Google接受RISC-V是2022年最大事件，这也被认为是RISC-V生态建设近年来的一项重大进展。 2022年6月，平头哥与Google达成贡献者许可协议（CLA），就Android系统支持RISC-V架构等工作进行技术合作和分享，随后Google系统核心AOSP也已开始将平头哥的补丁纳入系统中。 孟建熠表示：“RISC-V需要在成熟的地方证明自己的能力，因此最好的方法就是接入原有生态。” 而在2022云栖大会的玄铁软硬件“芯”生态峰会上，平头哥构建生态的信心再一次系统地呈现出来。 大咖云集论道生态

　　MIPS 利用西门子的 Veloce proFPGA 平台加速P8700 IP开发

　　MIPS 是高度可扩展的 RISC 处理器 IP 的领先开发商，与全球电子设计自动化领导者 Siemens Digital Industries Software 合作，为新 MIPS eVocore P8700 RISC-V 多处理器的客户加快上市时间和软件开发。 ProFPGA 平台，用于基于 P8700 内核的 SoC 的快速原型制作 根据此次合作，MIPS 将使用西门子的 Veloce™ proFPGA 平台展示 MIPS 的高性能知识产权 (IP) 内核，包括最近在 Embedded World 上展示的 MIPS eVocore P8700。 P8700 是业界性能最高、可扩展性最强的 RISC-V 多处理器

　　总部位于德克萨斯州奥斯汀的 InspireSemi 宣布即将推出其 Thunderbird I 加速计算芯片，预计将于第四季度交付给客户。该芯片针对高性能计算 (HPC)、AI、图形分析等计算密集型任务，具有卓越的能源效率和竞争力的价格。 高性能计算的新选择 Thunderbird I 内置 1,536 个定制的 64 位 RISC-V CPU 内核，集成高速内存和低延迟网络，专为图形分析等 HPC 任务优化，提供24 TFLOPS 的原始性能和 50 GFLOPS/瓦的能源效率。与 GPU 相比，Thunderbird I 提供了显著的计算能力和更低的延迟，适用于金融服务、计算机辅助工程和能源等多样化的行业。 RIS

　　IAR Systems是面向嵌入式开发的软件工具和服务供应商，日前，宣布为RISC-V的安全性提供更广泛的认证。用于RISC-V的IAR嵌入式工作台的功能安全版将由TÜV SÜD根据IEC 61508、国际功能安全伞标准以及ISO 26262（用于汽车安全相关系统）的要求进行认证。此外，该认证还包括国际标准IEC62304，该标准规定了医疗软件和医疗器械内软件开发的生命周期要求，以及欧洲铁路标准EN 50128和EN 50657。 “我们看到RISC-V正在成为一个重要的架构，不仅在广泛设计中，还特别开始进军车载应用，”IAR CEO Stefan Skarin说道，“通过为我们的开发工具提供符合ISO 26262的认证，我们

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