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RISC-V來勢洶洶,真能革x86和ARM的命?

2018/08/08
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文 / 飛翔的鴨子

2010 年誕生的 RISC-V 架構(gòu)最近火到?jīng)]朋友,除了有 IBM、英偉達(dá)、高通、三星、谷歌、特斯拉、華為等 100 多家科技公司追捧外,印度、中國等還紛紛出臺政策,制定扶持標(biāo)準(zhǔn),寄希望于搶先一步利用新興技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)處理器技術(shù)領(lǐng)域多年被 x86 和 ARM 壟斷下的突圍。就在飛鴨開始著手寫本文的 8 月 2 日,印度已經(jīng)在政府資金的支持下研制出第一款面向民用核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 RISC-V 芯片原型 Shakrti。

芯片指令集架構(gòu)是溝通軟硬件運(yùn)算之間的橋梁。RISC-V 是伯克利大學(xué)發(fā)明的一種特定指令集架構(gòu),嚴(yán)格說起來,并不是一種全新的架構(gòu),它與我們熟悉的 ARM 同屬 RISC(精簡指令集,Reduced Instruction Set Computer)范疇。目前市面上主流的架構(gòu)分為 RISC 和 CISC(復(fù)雜指令集,Complex Instruction Set Computer)兩種,RISC 專注于低功耗、高性能功耗比,主要面向小體積以及移動設(shè)備領(lǐng)域,CISC 強(qiáng)調(diào)運(yùn)算性能,專注桌面電腦、服務(wù)器和超算市場。RISC 的代表為 ARM,而 CISC 的代表則是我們耳熟能詳?shù)?x86。

RISC-V 可以看做是現(xiàn)有 RISC 的更升級版,從架構(gòu)的推出在時(shí)間上來說,具備后發(fā)優(yōu)勢,可以規(guī)避許多現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中存在的漏洞,如前段時(shí)間大熱的 Spectre 以及 meltdown 漏洞,已經(jīng)明確是與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系中分支預(yù)測和亂序執(zhí)行功能有關(guān)。由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù),多年來在不斷成熟的過程中暴露的問題都已經(jīng)被研究透徹,ARM 和 x86 無法輕易堵住的問題,RISC-V 架構(gòu)的新誕生沒有向后兼容的歷史包袱,則可以輕松避免。

RISC-V 為何受追捧?

如上文描述,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)很是成熟,ARM 和 x86 在強(qiáng)調(diào)低功耗的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域以及強(qiáng)調(diào)高性能的超算、電腦存儲等領(lǐng)域各自為營且生態(tài)完善。為何 RISC-V 的誕生還是受到了業(yè)界的大力追捧?答案有以下四點(diǎn):?


1、 免費(fèi)是最好的招牌

?像當(dāng)年與 ios 打擂臺的 android 是基于 Linux 的開放源代碼操作系統(tǒng)一樣,RISC-V 最大的吸引點(diǎn)就是開源、免費(fèi),是可以被任何學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或商業(yè)組織自由使用的指令集架構(gòu)。雖然同樣基于 RISC 范疇的 ARM 公司已經(jīng)開發(fā)并能夠提供種類眾多的先進(jìn)處理器 IP,但是高昂的 IP 授權(quán)費(fèi)用,無處不在的使用限制還是很考驗(yàn)使用者的錢袋和開發(fā)水平。?


2、 大道至簡?

這是有關(guān) RISC-V 特點(diǎn)介紹中提到最多的描述語,也是其受到追捧的最重要原因之一,代碼簡單規(guī)則性強(qiáng),文檔精簡易上手。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,現(xiàn)代的 ARM 與 x86 架構(gòu)的架構(gòu)文檔長達(dá)幾百數(shù)千頁。RISC-V 架構(gòu)文檔共計(jì) 236 頁。雖然內(nèi)容還在豐富中,但是基本的 RISC-V 指令數(shù)目僅有 40 多條,加上其他的模塊化擴(kuò)展指令總共幾十條指令。


??上圖為 RISC-V 指令格式,可以看出不同 type 之間規(guī)律性很。指令越有規(guī)律,解碼器所要的 gate 越少,芯片面積越小,運(yùn)行速度也就越快。?


3、 RISC 領(lǐng)域市場巨大?

ARM 公司是 RISC 架構(gòu)的典型應(yīng)用代表和標(biāo)準(zhǔn)締造者,目前,全球共有超過 100 家公司與 ARM 簽訂了技術(shù)使用許可協(xié)議,其中包括 Intel、IBM、LG、NEC、SONY、NXP 和 NS 這樣的大公司。與我們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān)的全球絕大部分手機(jī)處理器架構(gòu)均是基于 ARM 架構(gòu),不管你的手機(jī)系統(tǒng)是 iOS 還是 Android。軟銀集團(tuán)董事長及總裁孫正義曾經(jīng)介紹說,2016 年基于 ARM 生產(chǎn)的芯片產(chǎn)品有 170 億顆,而全球人口也只有 70 億,相當(dāng)于人均 2.4 顆左右。在未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,基于 ARM 架構(gòu)芯片還將達(dá)到萬億級別,智能汽車、數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域在未來 5 年還有超過 300 億美元市場的增長空間。顯然,這些基于 RISC 架構(gòu)的潛在市場,也是 RISC-V 未來的逐鹿戰(zhàn)場。


?2017 年 5 月,ARM 在深圳成立合資公司,并建設(shè)國內(nèi)重要的、由中方控股的集成電路核心知識產(chǎn)權(quán)(IP)開發(fā)與服務(wù)平臺,旨在進(jìn)一步開拓中國市場。

4、 新技術(shù)意味著新機(jī)遇

?RISC-V 的誕生,為沉寂多年的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域注入了新鮮的空氣,原本由 ARM 和 x86 牢牢壟斷的現(xiàn)代計(jì)算領(lǐng)域展露出一線可乘之機(jī)。許多強(qiáng)調(diào)計(jì)算、多年來不得不彎腰的企業(yè)首先嗅的商機(jī)。CPU 領(lǐng)域如高通、三星、華為、中天微等企業(yè)早就加入了 RISC-V 基金會, FPGA 企業(yè) Microsemi 則已率先推出業(yè)界首個 RISC-V 內(nèi)核的 FPGA 系列產(chǎn)品,國內(nèi) FPGA 企業(yè)高云也緊隨其后,宣布將在 2018 年中將 FPGA 芯片中嵌入 RISC-V 軟核,將在晨熙家族率先進(jìn)行。Microsemi SoC FPGA 營銷總監(jiān) Ted Marena 在介紹采訪是曾表示“完全開源的 RISC-V 內(nèi)核采用開放式指令集架構(gòu)(ISA),通過許可的 BSD 授權(quán),具備全面可移植性,由于開發(fā)人員可以查看 RISC-V 的所有源碼,因此安全性更高,非常適合現(xiàn)在嵌入式應(yīng)用對于平臺架構(gòu)的要求?!?/p>


?RISC-V 對 ARM 的影響

免費(fèi) RISC-V 的誕生對同屬 RISC 陣營的 ARM 影響巨大。飛鴨一就職于 ST,不愿透露姓名的朋友說,雖然目前還沒有基于 RISC-V 的芯片量產(chǎn),但是 ARM 以后日子肯定不太好過了。

“ARM 最火的是其 AArch64 執(zhí)行狀態(tài),AArch64 執(zhí)行狀態(tài)主要針對 64 位處理技術(shù),基本全是軟硬一體的打包方案,用戶換硬件的時(shí)候就是換軟件的時(shí)候,沒有人關(guān)心前向兼容問題,即沒人要求自己的手機(jī)今后 10 年都要支持 Android 2.3。AArch64 的最佳設(shè)計(jì)來自高通和蘋果,ARM 自己的設(shè)計(jì)基本都是給二流廠商用的?!?/p>


同時(shí)由于 ARM 的授權(quán)費(fèi)天下苦 ARM 久矣。Cortex-A 系列的典型下游企業(yè)蘋果、谷歌和高通,蘋果已經(jīng)多次換 arch 了,可謂輕車熟路,高通的 CPU 本來就是自己寫的,換個 arch 輕而易舉,谷歌是純軟件商,編譯器支持什么它支持什么。“這三家反水易如反掌,只要 RISC-V 時(shí)機(jī)成熟,估計(jì)離他們改弦更張已經(jīng)不遠(yuǎn)了?!薄爸劣谄渌抑苯佑?Cortex A + Mali 的企業(yè),很多都是墻頭草,誰家便宜用誰的。如果高通和谷歌轉(zhuǎn)投 RISC-V,它們還會給 ARM 交近百元一部的設(shè)備授權(quán)費(fèi)?那用高通 RISC-V 的小米能分分鐘碾壓它們”,朋友補(bǔ)充道。不知道以 ST-M32 聞名的 ST 被同是歐洲大廠,有很多業(yè)務(wù)重合的英飛凌收購,是不是和 RISC-V 的誕生和威脅論有關(guān)。

RISC-V 對 x86 的影響

與 ARM 相比,RISC-V 的誕生對基于 CISC 的 x86 影響相對較小。一方面是因?yàn)槎嗄陙?CISC 和 RISC 應(yīng)用之爭基本已經(jīng)形成了渭分明的市場劃分,CISC 適合于強(qiáng)調(diào)運(yùn)算和性能的通用機(jī),如電腦、數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域,RISC 則主要針對特殊應(yīng)用領(lǐng)域,適合對功耗比要求更高的專用領(lǐng)域。

除此之外,以 x86 為代表的 Intel 本身就是一家設(shè)計(jì)實(shí)力很強(qiáng)的芯片公司(還有自己的 fab 廠),而非專利授權(quán)公司,圍繞 x86 已經(jīng)形成了龐大的應(yīng)用生態(tài)體系鏈路,產(chǎn)業(yè)鏈路上下游企業(yè)反水的可能性不大。此外,用戶對于商業(yè)計(jì)算機(jī)較長的使用周期要求也非便攜式設(shè)備能比,這就需要不管是 Intel、AMD 還是國內(nèi)的兆芯、海光都要考慮產(chǎn)業(yè)兼容問題,即二進(jìn)制歷時(shí)遺留問題,滿足不同用戶的應(yīng)用需求。

最重要的一點(diǎn),x86 陣營與 ARM 陣營不同,x86 玩家俱樂部中的成員需要交叉授權(quán),入門門檻極高。除了初始幾年,Intel 吸納了 AMD、VIA(即現(xiàn)在的兆芯)之外,后來者幾乎無法踏入其門檻。表面上雖然顯得勢單力薄了些,但與此同時(shí),經(jīng)過多年的歷史積累,也大大凝聚了 3 家企業(yè)的一致性與向心性,畢竟隔夜的金子不如到手的銅啊。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容,未經(jīng)允許,不得轉(zhuǎn)載!


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Arm

Arm

ARM公司是一家知識產(chǎn)權(quán)(IP)供應(yīng)商,主要為國際上其他的電子公司提供高性能RISC處理器、外設(shè)和系統(tǒng)芯片技術(shù)授權(quán)。目前,ARM公司的處理器內(nèi)核已經(jīng)成為便攜通訊、手持計(jì)算設(shè)備、多媒體數(shù)字消費(fèi)品等方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。公司1990年11月由Acorn、Apple和VLSI合并而成。

ARM公司是一家知識產(chǎn)權(quán)(IP)供應(yīng)商,主要為國際上其他的電子公司提供高性能RISC處理器、外設(shè)和系統(tǒng)芯片技術(shù)授權(quán)。目前,ARM公司的處理器內(nèi)核已經(jīng)成為便攜通訊、手持計(jì)算設(shè)備、多媒體數(shù)字消費(fèi)品等方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。公司1990年11月由Acorn、Apple和VLSI合并而成。收起

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