RISC-V來了，嵌入式計算市場是否會進(jìn)入“三國”時代？

嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是計算機(jī)軟硬件的結(jié)合體，既有固定的功能，也有可編程的功能。嵌入式系統(tǒng)可以是獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以是大型系統(tǒng)的一部分，它主要是為一個或多個較大系統(tǒng)中的特定功能而設(shè)計的。

自1960年美國麻省理工學(xué)院的德雷珀教授首次將嵌入式系統(tǒng)用于開發(fā)阿波羅導(dǎo)航系統(tǒng)，60多年來，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)遍地開花，覆蓋家庭、辦公自動化、銀行和金融機(jī)構(gòu)、安全、汽車、保護(hù)、個人、醫(yī)療等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。2019年，全球嵌入式計算機(jī)市場價值約為863.04億美元。分析師預(yù)計，到2027年該市場將達(dá)到1387.47億美元，預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率為6.3%。嵌入式計算需求的增長主要受益于消費(fèi)電子產(chǎn)品以及人工智能應(yīng)用的日益普及。

目前，在嵌入式計算市場上有兩種處理器架構(gòu)占據(jù)了主導(dǎo)地位，分別是Intel的x86 架構(gòu)和ARM 架構(gòu)。雖然Intel和ARM這兩家公司的經(jīng)營規(guī)模巨大，但它們的商業(yè)模式卻截然不同。

Intel公司設(shè)計并制造自己的芯片，而ARM公司則將其IP授權(quán)給第三方設(shè)計公司，如高通公司和三星公司等，后者再根據(jù)需要添加自己的增強(qiáng)功能。這意味著，ARM的整個商業(yè)模式不是圍繞芯片制造，而是圍繞知識產(chǎn)權(quán)（IP）展開的。當(dāng)然，在市場上x86和ARM這兩種處理器類型也有共同點(diǎn)，即全部采用商業(yè)化授權(quán)使用模式。

最近幾年，一種開源的處理架構(gòu)RISC-V異軍突起，業(yè)界尤其是中國半導(dǎo)體行業(yè)對其未來的發(fā)展及市場抱有極大的期待。那么，RISC-V這顆幼苗是否能如行業(yè)所愿在x86和ARM兩顆參天大樹旁邊茁壯成長，并在嵌入式計算市場形成三分天下的局面呢？我們一起來看看下面的分析。

RISC-V、ARM、x86三者有何不同？

RISC-V、ARM和x86微處理器之間的許多差異是微妙的，在體系結(jié)構(gòu)、安全性以及授權(quán)方式上均有較大差別。

 1   在體系結(jié)構(gòu)上的差異

在探討三種處理器在體系結(jié)構(gòu)上的差異之前，我們先來看一下指令集體系結(jié)構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA）這個概念。根據(jù)百度百科的描述，ISA是處理器軟件和硬件之間接口的一個完整定義，它定義了一臺計算機(jī)可以執(zhí)行的所有指令的集合，包括數(shù)據(jù)類型及格式，指令格式，尋址方式和可訪問地址空間的大小，程序可訪問的寄存器個數(shù)、位數(shù)和編號，控制寄存器的定義，I/O空間的編制方式，中斷結(jié)構(gòu)，機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換，輸入輸出結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳送方式，存儲保護(hù)方式等。

由此可以看出，ISA以某種方式?jīng)Q定了處理器的應(yīng)用程序，它的選擇非常重要。我們熟悉的x86架構(gòu)和ARM架構(gòu)，它們之間最大的不同點(diǎn)便是使用的指令集不同。x86使用的是CISC指令集（Complex Instruction Set Computing,復(fù)雜指令集計算），ARM則使用了RISC指令集（Reduced Instruction Set Computing,精簡指令集計算）。顧名思義，RISC-V肯定使用的是RISC指令集，不過與此前的其他RISC處理器不同，RISC-V是完全開源的，任何人都可以免費(fèi)使用。

表1：CISC與RISC主要指標(biāo)對比
（圖源：CSDN）

RISC指令集是一種使用固定長度指令、大量使用寄存器的指令級架構(gòu)，是一種可在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的簡單指令。因此，完成特定任務(wù)通常需要執(zhí)行多條指令。CISC指令集的指令都是可變長度（Variable-Length Instruction）的，因此能最大程度利用內(nèi)存的容量，且每條指令都能讓處理器進(jìn)行復(fù)雜的工作。在CISC處理器上，同樣的任務(wù)可以用更少的指令完成，其目的則是試圖以犧牲每條指令的時鐘周期數(shù)為代價，最小化每條程序的指令數(shù)。RISC則采用了相反的方法，使用簡單的指令，這些指令可以在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，但代價是指令數(shù)量增加。與CISC指令集相比，執(zhí)行RISC指令集所消耗的功耗更少。

指令是處理器芯片能做的最基本的計算。一條指令可能是加法，而另一條指令可能是減法或乘法。RISC-V背后的思想是使指令集盡可能小，以便實現(xiàn)者可以使用擴(kuò)展添加對他們來說重要的指令。因此，RISC-V只有47條指令。相比之下，ARM擁有200多條指令，而AMD和Intel使用的CISC體系結(jié)構(gòu)擁有超過1500條指令。

目前，99%以上的筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器是基于x86或AMD64 ISA的。ARM是智能手機(jī)在Android和蘋果設(shè)備上使用的最新CPU架構(gòu)，99%以上的智能手機(jī)、平板電腦均基于ARM ISA，涉及到的IP包括A系列、R系列和M系列。RISC-V更適合于某些特定的應(yīng)用領(lǐng)域，如存儲、邊緣計算和人工智能應(yīng)用等。

 2   在商業(yè)模式上的差異

如今，64位體系結(jié)構(gòu)已成為智能手機(jī)和PC機(jī)的主流。雖然Intel發(fā)明了x86架構(gòu)，但現(xiàn)代x86-64體系結(jié)構(gòu)并不是由英特爾發(fā)明的，而是由AMD在原有的x86架構(gòu)上進(jìn)行改造而來，因此，這些IP屬于Intel和AMD。ARM公司擁有ARM處理器IP的絕對版權(quán)。

如果一定要說x86、ARM和RISC-V之間最顯著的區(qū)別是什么，無外乎這樣兩點(diǎn)，一是計算架構(gòu)，另一個就是商業(yè)模式。計算架構(gòu)在上面已經(jīng)基本說清楚了。在商業(yè)模式上，x86和ARM處理器均基于專有的IP，任何公司要想制造和銷售這類產(chǎn)品，必須首先從Inte/AMD和ARM公司購買IP授權(quán)許可。RISC-V是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)，任何人都能免費(fèi)使用。需要說明的是，這并不意味著RISC-V是一個開源的處理器，它有的內(nèi)核是開源的，有的內(nèi)核也需要商業(yè)許可。

圖1：商業(yè)與開源IP許可模式的差別
（圖源：RISC-V International） 

3   在安全性上的差異

x86體系結(jié)構(gòu)設(shè)有四個級別的權(quán)限環(huán)，用于保護(hù)數(shù)據(jù)和功能不受故障影響，提高容錯能力。而ARM架構(gòu)，以ARMV7為例，其體系結(jié)構(gòu)包括三個特權(quán)級別：應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和虛擬機(jī)監(jiān)控程序。ARM和RISC-V均使用了隔離機(jī)制的概念。ARM采用基于硬件的安全方案，而RISC-V則使用軟件定義的隔離域。

OP-TEE是一個開源可信執(zhí)行環(huán)境（TEE），它實現(xiàn)了ARM TrustZone技術(shù)，OP-TEE已經(jīng)被移植到許多ARM設(shè)備和平臺，包括ARMV8。RISC-V多域安全軟件模型因體積較小，所以速度很快。

在安全性方面，RISC-V還有另一個優(yōu)勢，那就是它的龐大社區(qū)，無數(shù)的工程師不斷研究安全環(huán)境和潛在的威脅，一旦確定了安全風(fēng)險，他們就會與開放社區(qū)共享，以便安全專家能夠快速開發(fā)或提出解決方案。

為什么看好RISC-V？

RISC-V最初是由加州大學(xué)伯克利分校的學(xué)者在2010構(gòu)思的，它是一個開源的、免版稅的處理器架構(gòu)。與x86和ARM相比，RISC-V的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

開源免版稅：這就好比我們?yōu)镻C安裝了Linux而不是Windows。

• 結(jié)構(gòu)簡單：RISC-V比其他商業(yè)ISA小得多。模塊化：RISC-V有一個小型的基礎(chǔ)ISA，另有多個標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展。穩(wěn)定：現(xiàn)在RISC-V的ISA基本凍結(jié)，不必?fù)?dān)心再有重大的改變?？蓴U(kuò)展性：如果說ARM許可了ISA和微體系結(jié)構(gòu)，那么RISC-V則是僅僅提供ISA，它允許研究人員和制造商自定義要如何使用它。這種靈活性使得RISC-V可以擴(kuò)展到各種類型的設(shè)備，從用于嵌入式系統(tǒng)的低功耗16位芯片到用于超級計算機(jī)的128位處理器。

眾所周知，基于RISC的芯片通常比采用CISC設(shè)計的芯片具有更少的指令，因此在硬件中實現(xiàn)起來也更簡單，芯片內(nèi)部的晶體管數(shù)量也因此大幅減少，最終芯片的物理尺寸也會很小。這也是ARM芯片能在智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等領(lǐng)域大放異彩的重要原因。RISC-V的ISA數(shù)量不及ARM的1/5，在尺寸和應(yīng)用擴(kuò)展上更具優(yōu)勢，這也是業(yè)界普遍看好它的重要原因之一。

RISC-V前景展望

從2010年作為學(xué)術(shù)研究到2020年RISC-V國際協(xié)會成立，RISC-V對半導(dǎo)體設(shè)計行業(yè)的吸引力越來越大。根據(jù)Semico Research的預(yù)測，作為一種免費(fèi)的開源技術(shù)，在下一個十年的處理器體系結(jié)構(gòu)市場中，RISC-V將占有較大份額。2018-2025年期間，預(yù)計RISC-V處理器將以146.2%的年復(fù)合增長率高速增長，其中工業(yè)領(lǐng)域是其最主要的應(yīng)用市場。

圖2：未來十年，在工業(yè)應(yīng)用引領(lǐng)下，RISC-V將步入高速增長期
（圖源：RISC-V基金會）

從圖2中可以看出，2021年應(yīng)該是RISC-V步入高速發(fā)展的起步階段。目前，高性能計算特別興趣小組（SIGHPC）也希望將RISC-V引入到機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和邊緣計算等應(yīng)用領(lǐng)域，也許這只是RISC-V這個開源體系結(jié)構(gòu)進(jìn)入更多行業(yè)和應(yīng)用的開始。

圖3：過去十年RISC-V技術(shù)演變路線圖
（圖源：RISC-V基金會）

也許是受到行業(yè)的鼓舞，市場上RISC-V SoC產(chǎn)品越來越豐富。根據(jù)RISC-V GitHub的信息，目前至少有13個商業(yè)機(jī)構(gòu)相繼發(fā)布了RISC-V SoC產(chǎn)品，其中包括兆易創(chuàng)新、GreenWave和SiFive等公司的解決方案。

SiFive是由RISC-V發(fā)明者創(chuàng)建的公司，這家初創(chuàng)公司最新發(fā)布的新一代處理器P500系列，宣稱可與Arm Cortex-A75競爭。這個系列的首款處理器Performance P550，與RISC-V RV64GC ISA規(guī)范兼容，可以擴(kuò)展為四核結(jié)構(gòu)。根據(jù)SiFive的信息，Performance P550處理器是迄今為止最快的64位RISC-V處理器，它的基準(zhǔn)測試套件得分為8.65/GHz。SiFive將Performance P550內(nèi)核與Arm Cortex-A75進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在SPECint2006和SPECfp2006整數(shù)/浮點(diǎn)基準(zhǔn)測試中，Performance P550具有更高的性能，所占面積也小得多。

圖4：SiFive P500系列內(nèi)部方框圖
（圖源：SiFive）

2020年3月，RISC-V國際協(xié)會在瑞士正式成立，目前已經(jīng)有500多名會員，這顯示出行業(yè)對RISC-V的興趣越來越大。今年6月份，有報道說英特爾將出價20多億美元收購RISC-V芯片設(shè)計公司SiFive。此前，Nvidia已經(jīng)發(fā)起了對ARM的收購，至于Intel的收購目的是為了與Nvidia競爭還是單純?yōu)榱颂峁┡cx86同等的替代體系結(jié)構(gòu)，目前還無法判斷。無論如何，RISC-V正在成為嵌入式計算市場的有力競爭者，這也是市場上已經(jīng)達(dá)成的共識。

歸納起來，免費(fèi)授權(quán)許可并不是RISC-V廣受關(guān)注的唯一理由，RISC-V的設(shè)計目標(biāo)應(yīng)該是為了解決嵌入式計算系統(tǒng)性能即將受到的限制。通常，芯片上安裝的晶體管數(shù)量越多，處理器的性能就會越高。在保證芯片尺寸不至于過大的同時，就必須壓縮晶體管的尺寸，從而導(dǎo)致制造工藝的復(fù)雜度大幅提升，制造成本隨之上漲。據(jù)稱，臺積電在其制造5nm芯片的工廠上花費(fèi)了約170多億美元。而RISC-V的目標(biāo)恰好是通過縮小晶體管尺寸和數(shù)量之外的方法來解決性能提升的問題。

在嵌入式計算市場，ARM和x86之間的較量似乎從未停歇。RISC-V芯片目前主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。在消費(fèi)市場，它能否動搖ARM/x86的雙寡頭壟斷地位還有待觀察。從現(xiàn)實的情形來看，RISC-V極有可能成為未來的主流處理器之一，屆時，嵌入式計算市場將形成x86、ARM和RISC-V三分天下的格局。