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有人稱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)，越來越多的“大玩家”也布局其中。由于美國的芯片封鎖，導(dǎo)致使用ARM架構(gòu)的風(fēng)險在不斷提高，因此RISC-V誕生后不久，也被認(rèn)為是中國破解芯片“卡脖子”難題的關(guān)鍵。
有人稱RISC-V是投資騙局。它與ARM同屬于精簡指令集架構(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)計經(jīng)驗，在消費(fèi)電子、嵌入式上擁有無可比擬的優(yōu)勢。此外ARM還擁有完備的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)，讓后來者難以挑戰(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RISC-V的看法既有鼓勵也有擔(dān)憂，RISC-V還是經(jīng)過十三年的發(fā)展后初具規(guī)模。2022 年 7 月，RISC-V國際基金會首席執(zhí)行官Calista Redmond在嵌入式世界大會上宣布， RISC-V 架構(gòu)處理器的出貨數(shù)量已突破 100 億顆。專家預(yù)測，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同臺競技嗎？在本文中，與非網(wǎng)邀請多位業(yè)內(nèi)專家，一起解析RISC-V從技術(shù)到市場的發(fā)展變革，以及對未來的展望。
合縱：RISC-V從“簡陋”走向完善
RISC-V是一種開放式指令集架構(gòu)（ISA），它的設(shè)計源于加州大學(xué)伯克利分校的計算機(jī)科學(xué)家們的研究工作。與其他ISA不同的是，RISC-V的設(shè)計目的是為了成為一種廣泛應(yīng)用于各種場合的通用指令集，包括個人電腦、服務(wù)器、嵌入式系統(tǒng)和超級計算機(jī)等。同時，RISC-V也提供一個開放式的標(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，它已經(jīng)成為了計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的熱門話題，越來越多的公司和組織開始采用RISC-V來實現(xiàn)他們的計算需求。
人們認(rèn)為RISC-V能夠替代ARM的關(guān)鍵，在于它的開源與免費(fèi)策略。不過與ARM或X86相比，RISC-V終究還是一個較為“年輕”的指令集架構(gòu)，在產(chǎn)業(yè)鏈、研發(fā)工具的配套上總會有不完善的地方。那為什么廠商會選擇還處在“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，但目前很多開源工具和軟件庫都開始支持RISC-V開發(fā)，包括編譯器，模擬器以及其它輔助工具，同時市場上也有很多專門針對RISC-V的開發(fā)板和系統(tǒng)級芯片陸續(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題上，應(yīng)該是短期的，隨著RISC-V的全球會員眾多，各方加快腳步進(jìn)行開發(fā)，目前這樣不完善或不足的情境，實際上會隨著時間而逐漸降低。”
同為精簡指令集，RISC-V要想替代早已成熟的ARM，就要在自己的優(yōu)勢上發(fā)力。翻閱RISC-V規(guī)范文檔與教程，我們很容易發(fā)現(xiàn)它在簡潔方面相比ARM指令集有較大區(qū)別，例如放棄“一次性讀/寫多個寄存器”、“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，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁。相比繁瑣復(fù)雜的ARM指令集，RISC-V的確做到了簡單易用，不過在更復(fù)雜的CPU設(shè)計上，這些特性是否會成為短板呢？
胡征宇表示：“雖然RISC-V的設(shè)計哲學(xué)就是簡潔高效，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)計需求，相反，公司可以針對各種應(yīng)用場景進(jìn)行定制化改良，其中包括針對復(fù)雜應(yīng)用或者需要高算力的場景進(jìn)行全面優(yōu)化的定制，這是針對同樣場景的通用計算器件無法具備的優(yōu)勢。”
我們知道ARM指令集靠ARM公司本身運(yùn)營維護(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)計也要圍繞ARM核心來做。RISC-V在這方面相反，開源可以每個廠商都能高度定制適合自身的IP核心，但廠商各自為戰(zhàn)可能帶來新問題，那就是指令集碎片化。碎片化即每個廠商都各自研發(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？
愛普特微電子副總經(jīng)理魯翔的觀點(diǎn)是，RISC-V不需要過分擔(dān)心碎片化問題。他指出：“基于RISC-V指令集的CPU內(nèi)核由于針對的目標(biāo)市場需求不同，必定存在一定的差異化。但是這些差異化都是可以通過最終落地產(chǎn)品的性能和客戶滿意度來衡量是否值得推廣或者持續(xù)演進(jìn)。通過市場的篩選、最終沉淀下來的一定是聚焦最優(yōu)方案的實現(xiàn)，所以在同一個市場中不必過分擔(dān)心碎片化。目前愛普特基于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)?！?/p>
與碎片化對應(yīng)的是規(guī)范化，RISC-V起步較晚，但在短時間內(nèi)RISC-V能夠發(fā)展到今天的程度，是離不開RISC-V國際協(xié)會在規(guī)范化上的努力的。對此，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?！癛ISC-V近十年來發(fā)展迅速，而且特別是在最近的兩年，每年以三十個左右的速度來新增指令集。RISC-V的更新過程很規(guī)范，從予以核準(zhǔn)、公告，再變成是open source開放的指令集。這些實際上都是由RISC-V國際協(xié)會在領(lǐng)導(dǎo)推動的。因此RISC-V新增指令可以在很短的時間之內(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基金會成立，宣告RISC-V正式從概念走向現(xiàn)實。2018年7月，上海市經(jīng)信委在全國率先出臺相關(guān)RISC-V扶持政策，此后國內(nèi)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速演進(jìn)時期。彼時上海市集成電路行業(yè)協(xié)會秘書長郭奕武表示，RISC-V具有精簡、低功耗、模塊化、可擴(kuò)展等技術(shù)優(yōu)勢，近幾年來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)、邊緣計算等新興應(yīng)用領(lǐng)域的重要創(chuàng)新焦點(diǎn)。其實郭奕武秘書長在2018年能做出這種判斷確實要有一定魄力。彼時的ARM架構(gòu)如日中天，公司在被軟銀收購后，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；應(yīng)用ARM架構(gòu)的芯片數(shù)量在當(dāng)年也來到225億顆。
不過僅過了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。RISC-V會員數(shù)量也達(dá)到3100個以上，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員行列。目前，從物聯(lián)網(wǎng)到無人駕駛汽車，從嵌入式系統(tǒng)到超級計算機(jī)，RISC-V都已經(jīng)開始在各種應(yīng)用場景中展示它的優(yōu)勢，但ARM依然牢牢占據(jù)移動端壟斷地位，RISC-V又該如何突破ARM防線？
魯翔表示：“ARM自己的優(yōu)勢就是生態(tài)。ARM與安卓形成了A-A聯(lián)盟，構(gòu)成了一個龐大、完善、成熟的移動生態(tài)，這是RISC-V無法比擬的。不過，最近谷歌在RISC-V 峰會上正式宣布 Android 將支持 RISC-V指令集。也就是說，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，將無需開發(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)問題，RISC-V還無法替代ARM，現(xiàn)在安卓官方支持RISC-V，生態(tài)也不需要擔(dān)心了，可以說替代ARM的最好時候到了。愛普特目前也正在攜手平頭哥從CPU到SoC、芯片設(shè)計、工具鏈、處理器、軟件生態(tài)等鏈條，打造RISC-V生態(tài)建設(shè)?！?/p>
隨著越來越多玩家的加入，相信它在未來會有更加廣泛的應(yīng)用場景和發(fā)展空間。胡征宇也對RISC-V的未來做出展望：“RISC-V未來將逐漸擴(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RISC-V軟件生態(tài)系統(tǒng)和系列工具的持續(xù)發(fā)展來實現(xiàn)技術(shù)的不斷突破。”林志明也對RISC-V的應(yīng)用持樂觀態(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進(jìn)行突破?！?/p>
劍指：挑戰(zhàn)ARM，RISC-V廠商思路清晰
過去的幾十年中，ARM已經(jīng)成為了移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、汽車、工業(yè)自動化等領(lǐng)域的主流指令集。然而，隨著計算機(jī)應(yīng)用場景的不斷變化和發(fā)展，一些問題也開始顯現(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)則提供了一個全新的解決方案。僅十幾年，RISC-V完成了從理論到實際，從小眾到廣泛應(yīng)用的重大突破。但是相對于ARM來說，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)用場景和大量的開發(fā)者，因此在一些特定的領(lǐng)域中，尤其是移動領(lǐng)域，ARM仍然具有非常大的優(yōu)勢。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，使得開發(fā)者可以更加方便地進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和優(yōu)化。
其次，RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)和完善還需要一定的時間。雖然RISC-V社區(qū)在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，但是相對于ARM來說，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，在一些特定的場景下，RISC-V的應(yīng)用可能會受到限制。
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)化虛擬化和語音相關(guān)的開源軟件，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普及的過程中，Chiplet技術(shù)為中國集成電路產(chǎn)業(yè)帶來了諸多發(fā)展機(jī)遇。芯片在利用先進(jìn)工藝制造的時候成本較高，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)的顆粒混合封裝是未來的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，Chiplet也有望成為破解國外芯片封鎖的法寶之一。魯翔表示：“若能實現(xiàn)Chiplet技術(shù)與RISC-V融合，整個行業(yè)會向前跨一大步。不過這種方法目前還是會導(dǎo)致每個節(jié)點(diǎn)都變得越來越復(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始相互共享芯片IP。”
林志明認(rèn)為RISC-V應(yīng)在開源、商業(yè)與教育的角度加大投入力度，他表示：“首先，遵循開放源的做法，就是當(dāng)初UC Berkeley的開放源的做法。相關(guān)廠商接受這樣的開放源生態(tài)之后，它所開發(fā)的軟件、硬件要能夠回饋到開放源的框架上去，讓RISC-V的生態(tài)更加的進(jìn)步。第二是以合理的利潤的角度進(jìn)行商業(yè)的營運(yùn)。最后則是加大對RISC-V教育機(jī)構(gòu)或教研機(jī)構(gòu)的投入，以此來擴(kuò)大使用者。三管齊下，對生態(tài)的普及就有很大的幫助。”
總的來說，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算機(jī)架構(gòu)思路和設(shè)計理念，將會對計算機(jī)產(chǎn)業(yè)帶來積極的影響和推動。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，它將會在未來的計算機(jī)領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，成為一個具有廣泛影響力和持續(xù)創(chuàng)新力的指令集架構(gòu)。
