指令集“大逃殺”，RISC-V能沖進(jìn)決賽圈嗎？

有人稱(chēng)RISC-V為傳奇，它于2010年首次提出，十余年間已經(jīng)能與ARM和X86一較高下，開(kāi)源、免費(fèi)、輕量化是它的特點(diǎn)。如今RISC-V已逐步搭建起良好的技術(shù)交流生態(tài)，越來(lái)越多的“大玩家”也布局其中。由于美國(guó)的芯片封鎖，導(dǎo)致使用ARM架構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)在不斷提高，因此RISC-V誕生后不久，也被認(rèn)為是中國(guó)破解芯片“卡脖子”難題的關(guān)鍵。

有人稱(chēng)RISC-V是投資騙局。它與ARM同屬于精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)，在性能上非常相似，但ARM架構(gòu)已經(jīng)積累20多年的IP設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在消費(fèi)電子、嵌入式上擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。此外ARM還擁有完備的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)，讓后來(lái)者難以挑戰(zhàn)。因此，有很多人并不看好RISC-V最終能夠完成對(duì)ARM架構(gòu)的替代，RISC-V的繁榮也只是“曇花一現(xiàn)”。

盡管外界對(duì)RISC-V的看法既有鼓勵(lì)也有擔(dān)憂，RISC-V還是經(jīng)過(guò)十三年的發(fā)展后初具規(guī)模。2022 年 7 月，RISC-V國(guó)際基金會(huì)首席執(zhí)行官Calista Redmond在嵌入式世界大會(huì)上宣布， RISC-V 架構(gòu)處理器的出貨數(shù)量已突破 100 億顆。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，兩三年后，RISC-V 架構(gòu)將超越現(xiàn)有的ARM架構(gòu)和可用性能。RISC-V是怎么做到從0到100億的？在指令集“大逃殺”中，RISC-V能沖進(jìn)決賽圈，與ARM和X86同臺(tái)競(jìng)技嗎？在本文中，與非網(wǎng)邀請(qǐng)多位業(yè)內(nèi)專(zhuān)家，一起解析RISC-V從技術(shù)到市場(chǎng)的發(fā)展變革，以及對(duì)未來(lái)的展望。

合縱：RISC-V從“簡(jiǎn)陋”走向完善

RISC-V是一種開(kāi)放式指令集架構(gòu)（ISA），它的設(shè)計(jì)源于加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們的研究工作。與其他ISA不同的是，RISC-V的設(shè)計(jì)目的是為了成為一種廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合的通用指令集，包括個(gè)人電腦、服務(wù)器、嵌入式系統(tǒng)和超級(jí)計(jì)算機(jī)等。同時(shí)，RISC-V也提供一個(gè)開(kāi)放式的標(biāo)準(zhǔn)，使得不同的硬件和軟件可以互相兼容和交互。自從RISC-V于2010年首次提出以來(lái)，它已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)話題，越來(lái)越多的公司和組織開(kāi)始采用RISC-V來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的計(jì)算需求。

人們認(rèn)為RISC-V能夠替代ARM的關(guān)鍵，在于它的開(kāi)源與免費(fèi)策略。不過(guò)與ARM或X86相比，RISC-V終究還是一個(gè)較為“年輕”的指令集架構(gòu)，在產(chǎn)業(yè)鏈、研發(fā)工具的配套上總會(huì)有不完善的地方。那為什么廠商會(huì)選擇還處在“新手期”的RISC-V？Codasip大中華區(qū)總經(jīng)理胡征宇表示：“雖然RISC-V剛剛起步，但目前很多開(kāi)源工具和軟件庫(kù)都開(kāi)始支持RISC-V開(kāi)發(fā)，包括編譯器，模擬器以及其它輔助工具，同時(shí)市場(chǎng)上也有很多專(zhuān)門(mén)針對(duì)RISC-V的開(kāi)發(fā)板和系統(tǒng)級(jí)芯片陸續(xù)推出。隨著RISC-V技術(shù)的不斷壯大，其配套工具也將更加完善。”晶心科技董事長(zhǎng)林志明也持有相同觀點(diǎn)，他表示在RISC-V生態(tài)中廠商在發(fā)展配套工具上的意愿非常高。“在所謂的不足或不完善的問(wèn)題上，應(yīng)該是短期的，隨著RISC-V的全球會(huì)員眾多，各方加快腳步進(jìn)行開(kāi)發(fā)，目前這樣不完善或不足的情境，實(shí)際上會(huì)隨著時(shí)間而逐漸降低?！?/p>

同為精簡(jiǎn)指令集，RISC-V要想替代早已成熟的ARM，就要在自己的優(yōu)勢(shì)上發(fā)力。翻閱RISC-V規(guī)范文檔與教程，我們很容易發(fā)現(xiàn)它在簡(jiǎn)潔方面相比ARM指令集有較大區(qū)別，例如放棄“一次性讀/寫(xiě)多個(gè)寄存器”、“條件碼”等指令，可以更容易提升CPU主頻等。從架構(gòu)復(fù)雜程度看，RISC-V本身也非常簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)指令集則只有40多條，加上其他的模塊化擴(kuò)展指令總共幾十條指令，其規(guī)范文檔僅有145頁(yè)，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁(yè)。相比繁瑣復(fù)雜的ARM指令集，RISC-V的確做到了簡(jiǎn)單易用，不過(guò)在更復(fù)雜的CPU設(shè)計(jì)上，這些特性是否會(huì)成為短板呢？

胡征宇表示：“雖然RISC-V的設(shè)計(jì)哲學(xué)就是簡(jiǎn)潔高效，它可以提高編程效率、降低功耗和芯片面積及成本。但這并不意味著RISC-V不能滿足復(fù)雜CPU的設(shè)計(jì)需求，相反，公司可以針對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制化改良，其中包括針對(duì)復(fù)雜應(yīng)用或者需要高算力的場(chǎng)景進(jìn)行全面優(yōu)化的定制，這是針對(duì)同樣場(chǎng)景的通用計(jì)算器件無(wú)法具備的優(yōu)勢(shì)。”

我們知道ARM指令集靠ARM公司本身運(yùn)營(yíng)維護(hù)，所以其指令高度統(tǒng)一，芯片廠在應(yīng)用ARM IP后僅能做擴(kuò)充性調(diào)整，芯片設(shè)計(jì)也要圍繞ARM核心來(lái)做。RISC-V在這方面相反，開(kāi)源可以每個(gè)廠商都能高度定制適合自身的IP核心，但廠商各自為戰(zhàn)可能帶來(lái)新問(wèn)題，那就是指令集碎片化。碎片化即每個(gè)廠商都各自研發(fā)不同的指令集，不同產(chǎn)品互不兼容，最終導(dǎo)致生態(tài)分裂。目前已經(jīng)有越來(lái)越多的玩家涌入RISC-V賽道，那么RISC-V又該如何防止碎片化呢？

愛(ài)普特微電子副總經(jīng)理魯翔的觀點(diǎn)是，RISC-V不需要過(guò)分擔(dān)心碎片化問(wèn)題。他指出：“基于RISC-V指令集的CPU內(nèi)核由于針對(duì)的目標(biāo)市場(chǎng)需求不同，必定存在一定的差異化。但是這些差異化都是可以通過(guò)最終落地產(chǎn)品的性能和客戶滿意度來(lái)衡量是否值得推廣或者持續(xù)演進(jìn)。通過(guò)市場(chǎng)的篩選、最終沉淀下來(lái)的一定是聚焦最優(yōu)方案的實(shí)現(xiàn)，所以在同一個(gè)市場(chǎng)中不必過(guò)分擔(dān)心碎片化。目前愛(ài)普特基于RISC-V研發(fā)量產(chǎn)的32位MCU已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、智能家電等領(lǐng)域，通過(guò)優(yōu)異性能獲得了廣大客戶的認(rèn)可，所以產(chǎn)品性能才是核心重點(diǎn)。”

與碎片化對(duì)應(yīng)的是規(guī)范化，RISC-V起步較晚，但在短時(shí)間內(nèi)RISC-V能夠發(fā)展到今天的程度，是離不開(kāi)RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)在規(guī)范化上的努力的。對(duì)此，林志明表示RISC-V的指令規(guī)范化做的很好，尤其是在增加指令方面，RISC-V做的甚至要遠(yuǎn)好于ARM。“RISC-V近十年來(lái)發(fā)展迅速，而且特別是在最近的兩年，每年以三十個(gè)左右的速度來(lái)新增指令集。RISC-V的更新過(guò)程很規(guī)范，從予以核準(zhǔn)、公告，再變成是open source開(kāi)放的指令集。這些實(shí)際上都是由RISC-V國(guó)際協(xié)會(huì)在領(lǐng)導(dǎo)推動(dòng)的。因此RISC-V新增指令可以在很短的時(shí)間之內(nèi)完成規(guī)范化發(fā)布?！?/p>

連橫：RISC-V從概念走向應(yīng)用

2015年，全球RISC-V基金會(huì)成立，宣告RISC-V正式從概念走向現(xiàn)實(shí)。2018年7月，上海市經(jīng)信委在全國(guó)率先出臺(tái)相關(guān)RISC-V扶持政策，此后國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速演進(jìn)時(shí)期。彼時(shí)上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)郭奕武表示，RISC-V具有精簡(jiǎn)、低功耗、模塊化、可擴(kuò)展等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近幾年來(lái)RISC-V生態(tài)體系正在全球范圍內(nèi)快速崛起，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)以及物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等新興應(yīng)用領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新焦點(diǎn)。其實(shí)郭奕武秘書(shū)長(zhǎng)在2018年能做出這種判斷確實(shí)要有一定魄力。彼時(shí)的ARM架構(gòu)如日中天，公司在被軟銀收購(gòu)后，2018年孫正義就提出讓ARM在五年內(nèi)重新上市；在產(chǎn)品方面，驍龍835和845幾乎占領(lǐng)了全部的高端手機(jī)市場(chǎng)；應(yīng)用ARM架構(gòu)的芯片數(shù)量在當(dāng)年也來(lái)到225億顆。

不過(guò)僅過(guò)了5年，應(yīng)用RISC-V指令集的芯片已經(jīng)突破100億顆，儼然已經(jīng)有了趕超ARM的趨勢(shì)。RISC-V會(huì)員數(shù)量也達(dá)到3100個(gè)以上，包括谷歌、華為、英偉達(dá)、高通、三星、IBM等全球一線廠商均在會(huì)員行列。目前，從物聯(lián)網(wǎng)到無(wú)人駕駛汽車(chē)，從嵌入式系統(tǒng)到超級(jí)計(jì)算機(jī)，RISC-V都已經(jīng)開(kāi)始在各種應(yīng)用場(chǎng)景中展示它的優(yōu)勢(shì)，但ARM依然牢牢占據(jù)移動(dòng)端壟斷地位，RISC-V又該如何突破ARM防線？

魯翔表示：“ARM自己的優(yōu)勢(shì)就是生態(tài)。ARM與安卓形成了A-A聯(lián)盟，構(gòu)成了一個(gè)龐大、完善、成熟的移動(dòng)生態(tài)，這是RISC-V無(wú)法比擬的。不過(guò)，最近谷歌在RISC-V 峰會(huì)上正式宣布 Android 將支持 RISC-V指令集。也就是說(shuō)，以后RISC-V的芯片，可以使用安卓系統(tǒng)了。一旦谷歌官方支持，大多數(shù) Android 應(yīng)用程序，將無(wú)需開(kāi)發(fā)人員額外的工作即可運(yùn)行在RISC-V芯片上。以前考慮到生態(tài)問(wèn)題，RISC-V還無(wú)法替代ARM，現(xiàn)在安卓官方支持RISC-V，生態(tài)也不需要擔(dān)心了，可以說(shuō)替代ARM的最好時(shí)候到了。愛(ài)普特目前也正在攜手平頭哥從CPU到SoC、芯片設(shè)計(jì)、工具鏈、處理器、軟件生態(tài)等鏈條，打造RISC-V生態(tài)建設(shè)。”

隨著越來(lái)越多玩家的加入，相信它在未來(lái)會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展空間。胡征宇也對(duì)RISC-V的未來(lái)做出展望：“RISC-V未來(lái)將逐漸擴(kuò)展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域，行業(yè)需要更安全高效的處理器用以支持復(fù)雜的需求，并通過(guò)RISC-V軟件生態(tài)系統(tǒng)和系列工具的持續(xù)發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不斷突破?！绷种久饕矊?duì)RISC-V的應(yīng)用持樂(lè)觀態(tài)度，他表示：“RISC-V某些嵌入式的系統(tǒng)方面已經(jīng)做的要比ARM更好，接下來(lái)要克服的技術(shù)節(jié)點(diǎn)就是安卓、iOS或者是Windows，這些關(guān)鍵技術(shù)可能都需要三到五年來(lái)進(jìn)行突破?！?/p>

劍指：挑戰(zhàn)ARM，RISC-V廠商思路清晰

過(guò)去的幾十年中，ARM已經(jīng)成為了移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的主流指令集。然而，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景的不斷變化和發(fā)展，一些問(wèn)題也開(kāi)始顯現(xiàn)，例如ARM的許可費(fèi)用和閉源限制，這限制了一些公司和組織的應(yīng)用發(fā)展和創(chuàng)新。RISC-V的出現(xiàn)則提供了一個(gè)全新的解決方案。僅十幾年，RISC-V完成了從理論到實(shí)際，從小眾到廣泛應(yīng)用的重大突破。但是相對(duì)于ARM來(lái)說(shuō)，RISC-V在生態(tài)、社區(qū)建設(shè)以及上下游支持上仍然存在一些不足之處。

首先，ARM生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟，其具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和大量的開(kāi)發(fā)者，因此在一些特定的領(lǐng)域中，尤其是移動(dòng)領(lǐng)域，ARM仍然具有非常大的優(yōu)勢(shì)。此外，ARM生態(tài)系統(tǒng)中也存在著大量的優(yōu)秀軟件和工具，使得開(kāi)發(fā)者可以更加方便地進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。

其次，RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和完善還需要一定的時(shí)間。雖然RISC-V社區(qū)在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，但是相對(duì)于ARM來(lái)說(shuō)，它的生態(tài)系統(tǒng)還不夠成熟，缺乏一些優(yōu)秀的軟件和工具。因此，在一些特定的場(chǎng)景下，RISC-V的應(yīng)用可能會(huì)受到限制。

最后，RISC-V的生態(tài)系統(tǒng)缺乏一些成熟的廠商支持，例如ARM生態(tài)系統(tǒng)中的ARM架構(gòu)授權(quán)商、芯片廠商等，這也使得RISC-V在硬件方面的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)還需要進(jìn)一步發(fā)展和完善。

合縱連橫之后，RISC-V又該如何進(jìn)步來(lái)破解ARM的生態(tài)封鎖？

胡征宇認(rèn)為，RISC-V的改進(jìn)方方向，軟件生態(tài)很重要。

軟件生態(tài)和硬件生態(tài)的發(fā)展相輔相成，軟件生態(tài)需要完善的內(nèi)容甚至更多，比如常見(jiàn)的Linux內(nèi)核、GCC編譯器。除此之外，可能還需要優(yōu)化虛擬化和語(yǔ)音相關(guān)的開(kāi)源軟件，比如docker、kubernetes，網(wǎng)絡(luò)加速方面的軟件棧、AI軟件數(shù)據(jù)庫(kù)等也都需要做特殊的優(yōu)化和性能調(diào)優(yōu)，需要投入巨大的人力和物力。

在RISC-V普及的過(guò)程中，Chiplet技術(shù)為中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了諸多發(fā)展機(jī)遇。芯片在利用先進(jìn)工藝制造的時(shí)候成本較高，世界上也僅有幾家代工廠可以駕馭高端工藝。在產(chǎn)能、成本受限的情況下，將不同工藝節(jié)點(diǎn)的顆?；旌?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/492719.html">封裝是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，Chiplet也有望成為破解國(guó)外芯片封鎖的法寶之一。魯翔表示：“若能實(shí)現(xiàn)Chiplet技術(shù)與RISC-V融合，整個(gè)行業(yè)會(huì)向前跨一大步。不過(guò)這種方法目前還是會(huì)導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)都變得越來(lái)越復(fù)雜和昂貴，如果行業(yè)想要轉(zhuǎn)向支持基于Chiplet的集成系統(tǒng)，那不同的公司必須開(kāi)始相互共享芯片IP。”

林志明認(rèn)為RISC-V應(yīng)在開(kāi)源、商業(yè)與教育的角度加大投入力度，他表示：“首先，遵循開(kāi)放源的做法，就是當(dāng)初UC Berkeley的開(kāi)放源的做法。相關(guān)廠商接受這樣的開(kāi)放源生態(tài)之后，它所開(kāi)發(fā)的軟件、硬件要能夠回饋到開(kāi)放源的框架上去，讓RISC-V的生態(tài)更加的進(jìn)步。第二是以合理的利潤(rùn)的角度進(jìn)行商業(yè)的營(yíng)運(yùn)。最后則是加大對(duì)RISC-V教育機(jī)構(gòu)或教研機(jī)構(gòu)的投入，以此來(lái)擴(kuò)大使用者。三管齊下，對(duì)生態(tài)的普及就有很大的幫助?！?/p>

總的來(lái)說(shuō)，RISC-V挑戰(zhàn)ARM架構(gòu)早已不是“鏡花水月”，RISC-V代表著一種全新的計(jì)算機(jī)架構(gòu)思路和設(shè)計(jì)理念，將會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)積極的影響和推動(dòng)。我們有理由相信，隨著RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，它將會(huì)在未來(lái)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，成為一個(gè)具有廣泛影響力和持續(xù)創(chuàng)新力的指令集架構(gòu)。