中金公司详解芯片国产化三条路径 嘉楠自研AI芯片受关注

　　日前，中金公司发布《云计算开启国产CPU和AI芯片的腾飞之路》报告，指出未来五年计算芯片国产化市场空间超过500亿美元，进口替代空间进一步打开。当前国产CPU主要有三条进口替代路径，其中RISC-V作为较新的精简指令集，适用于物联网等分散化应用。 

　　中金公司在报告中称，嘉楠已经成为当前主要的国产AI芯片企业。作为国内RISC-V架构的领军企业之一，嘉楠自主研发的边缘AI芯片K210已落地智能能耗、智能园区等领域，并在辅助驾驶、智慧零售等场景具备广阔的应用潜能。

　　国产化芯片的三条发展路径 

　　中金公司称，指令集架构是芯片设计的底层技术之一，目前主要分为以桌面级服务器见长的x86，风靡于移动互联时代的Arm，以及崛起中的RISC-V三条主流路径。 

　　x86架构源起于1978年，随着英特尔微处理器8086的发布正式进入市场。作为发展了40多年的指令集架构，x86定义了芯片的基本使用规则，也为其后续所有产品线的迭代奠定了架构基础。在桌面级服务器时代，x86与Windows的联盟几乎垄断了90%左右的市场，生态建设最为成熟。 

　　中金公司认为，虽然短期内X86是国产CPU替代落地相对顺利的路径，但国产CPU若采用X86架构进行进口替代，需要通过与海外拥有授权的企业建立合资公司来使用X86授权生产芯片。由于x86架构高度的封闭性，国内厂商的话语权普遍偏弱。 

　　相比于x86，ARM架构具有高并发、高集成和低功耗优势，在移动设备领域处于垄断地位。中金公司认为，ARM 架构芯片成熟，但软件生态有待培育。从长期看，ARM和RISC-V 同为不断更新且持续迭代的精简指令集，适应未来服务器多核心、高并发和低功耗的计算应用场景。其中，RISC-V 架构开源且自由使用，相关国内企业可以持续的获得最新的IP，不断优化学习曲线加速追赶垄断厂商。 

　　AIoT背景下崛起的RISC-V 

　　相比于移动端、PC 等消费终端应用，IoT 应用场景繁多，对处理器的需求较为碎片化，同 时对功耗有着较高要求。中金公司认为，兼具精简和灵活的 RISC-V 架构，满足IoT对处理器的需求，能够从 IoT 市场切入并不断扩大市场份额。随着基金会成员的快速增长，配套软件工具等生态环境不断完善，RISC-V 已经开始加速落地。 

　　公开资料显示，RISC-V于2010年加州大学伯克利分校研发，项目成立之初即是为了规避x86知识产权以及ARM高昂授权费用的弊端。作为精简指令集，RISC-V没有历史包袱，具备轻量化、模块化和较强的可扩展性。更为关键的是，该架构基于免费开源理念，从其总部迁往中立国瑞士就可见一斑。

　　该架构崛起的另一个时代背景是AI与IoT技术的交叉应用，以及工作负载向多终端迁移的趋势。由于支持40条基本指令，其余指令按需扩展的特性，RISC-V不仅降低了学习门槛，而且非常适合定制化开发，同时兼顾了设备端对功耗的限制。 

　　在当前的国产替代热潮中，RISC-V正成为国内芯片厂商直线超车的机遇。无论是嘉楠早在2018年就发布的边缘AI芯片K210，阿里平头哥高调公布的玄铁910，还是近期华米科技推出的可穿戴设备AI芯片“黄山二号”，都在逐步拓展该架构在AIoT市场的应用空间。这也显示了其支持国内厂商摆脱核心技术限制，自研核心IP并发展国产替代芯片的潜能。 

　　嘉楠：引领AIoT芯片国产化之路 

　　在报告中，中金公司将边缘AI分为手机、安防、车载和IoT四大领域。其中，AIoT芯片需求量较大，但市场差异化明显。在该领域，由于芯片部署在设备端，直接面向应用场景需求，其研发更强调对实际业务场景的深度理解，这也正是本土新一代芯片公司崛起的机遇。

　　嘉楠是国内较早基于RISC-V进行AIoT芯片研发的企业之一。2016年，公司正式启动AI芯片研发项目，并在2018年发布了首款RISC-V架构的自主知识产权商用边缘AI芯片K210。区别于自动驾驶或语音识别单一领域的厂商，嘉楠研发的K210作为一款SoC，集成了视觉神经网络加速器KPU和音频处理单元APU，具有较强的是国内为数不多保持较强通用性的边缘AI芯片。

　　在功耗设计上，嘉楠在芯片研发初始阶段就面向业务场景。例如在智能能耗领域，搭载AI芯片的智能抄表模块由于部署场景的限制，不宜进行频繁地拆卸更换，因此需要较长的使用周期，类似的场景还有智能门锁、人脸闸机等设备。为了适配边缘侧对功耗的限制，K210的功耗仅为0.3W左右，搭载摄像头等外设的典型功耗小于1W，充分适配大多数边缘侧场景需求。 

　　在功能设计上，K210在主频400MHz下算力达到1TOPS，其中16位定点乘法算力为0.3TOPS。其核心在于嘉楠完全自主研发的KPU，专用于处理包括图像识别、物体分类、人脸检测、活体检测和人脸识别等视觉处理任务。人脸检测场景中，640*480分辨率下的刷新率为60fps。 

　　通过根据场景需求规划算力和功耗，基于K210的无感门禁和智能抄表产品均实现了部署落地，特别是其研发的智能抄表系统，在国内最大棚户改造区――贵州花果园社区中投入大规模部署商用。 

　　疫情期间，嘉楠基于自主研发的活体检测和戴口罩人脸识别模型，对其人脸门禁产品线进行迭代优化，发布了基于K210的智能门禁考勤机。同时还整合了智能考勤系统辅助人力资源管理。总体来说，嘉楠的AI产品在智能门锁、无感门禁和考勤、智慧能耗管理、智能工业等方面有了快速发展。 

　　目前，嘉楠正积极推进二代AI芯片K510的研发，大幅优化原有的架构设计，并且在算力上得到倍数提升，应用场景也将在智能驾驶、智慧零售等领域得到拓展。