能和Intel、ARM三分天下的RISC-V究竟為何物？

“未來(lái)RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一，從而在CPU領(lǐng)域形成英特爾（x86）、ARM、RISC-V三分天下的格局。”——倪光南。大眾并不為熟悉的RISC-V真的能和Intel、ARM三分天下嗎？或許，是時(shí)候關(guān)注這個(gè)小眾卻并不冷門的處理器分支了。

本科生設(shè)計(jì)出64位RISC-V處理器

近期，RISC-V處理器內(nèi)核IP和生態(tài)平臺(tái)公司企業(yè)芯來(lái)科技完成新一輪戰(zhàn)略融資，由小米長(zhǎng)江產(chǎn)業(yè)基金領(lǐng)投，老股東藍(lán)馳創(chuàng)投和新微資本繼續(xù)追投。讓這個(gè)看起來(lái)有些“小眾”的處理器再次走進(jìn)大眾視野。

實(shí)際上，在2020年7月，一則“國(guó)科大本科生設(shè)計(jì)出64位RISC-V處理器”的新聞，同樣引發(fā)了不少人對(duì)RISC-V處理器的關(guān)注。@中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 公布了首期“一生一芯”計(jì)劃成果——在國(guó)內(nèi)首次以流片為目標(biāo)，由5位2016級(jí)本科生主導(dǎo)完成一款64位RISC-V處理器SoC芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)流片，芯片能成功運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)以及學(xué)生自己編寫的國(guó)科大教學(xué)操作系統(tǒng)UCAS-Core。

本科生、國(guó)產(chǎn)芯片、“一生一芯”計(jì)劃……當(dāng)這些詞匯匯聚在一起時(shí)，本身就足以引發(fā)大眾關(guān)注，而RISC-V處理器也就再一次成為市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。

備受推崇的開源芯片

對(duì)于關(guān)注我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的科技粉而言，RISC-V處理器并沒(méi)有多陌生，中國(guó)工程院院士、中國(guó)開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟（CRVA）理事長(zhǎng)倪光南發(fā)表演講《迎接開源芯片新潮流》時(shí)就有提到過(guò)，“未來(lái)RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一，從而在CPU領(lǐng)域形成英特爾（x86）、ARM、RISC-V三分天下的格局?！?/p>

倪光南表示，從世界的角度來(lái)看，兩類架構(gòu)的 CPU 已經(jīng)占據(jù)市場(chǎng)。第一類是 X86，英特爾和AMD 兩家公司掌握，在服務(wù)器等領(lǐng)域占有壟斷地位;第二類是 ARM，在移動(dòng)領(lǐng)域有壟斷的地位。

移動(dòng)端霸主ARM，精簡(jiǎn)和靈活是RISC-V的兩大優(yōu)勢(shì)。RISC-V指令集在最初設(shè)計(jì)時(shí)，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)就明確表示要追求簡(jiǎn)約，丟棄歷史包袱。RISC-V的基本指令僅40余條，并且采用了模塊化的指令集，能滿足從微控制器到超級(jí)計(jì)算機(jī)等各種復(fù)雜程度的處理器需求，支持從FPGA、ASIC乃至未來(lái)器件等多種實(shí)現(xiàn)方式。

事實(shí)上，RISC-V每一次現(xiàn)身都很容易引發(fā)熱議，“沒(méi)有歷史包袱”的RISC-V很容易成為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)“后進(jìn)者”的希望，其從誕生起就具備一定的后發(fā)優(yōu)勢(shì)，精簡(jiǎn)的指令集意味著精簡(jiǎn)的開發(fā)文檔，這也將吸引更多開發(fā)者的使用。

十年磨一劍的RISC-V

RISC-V源于 2010年，當(dāng)時(shí)加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)要設(shè)計(jì)一款CPU，為該項(xiàng)目選架構(gòu)的時(shí)候研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了當(dāng)時(shí)的ARM、MIPS、SPARC和X86等，發(fā)現(xiàn)這些指令集不僅越來(lái)越復(fù)雜，還有很多IP法律問(wèn)題，再加上X86授權(quán)難以獲取，ARM授權(quán)價(jià)格昂貴，所以該研究團(tuán)隊(duì)最終決定設(shè)計(jì)一套全新的指令集。于是成立了一個(gè)四人小組，僅用了3個(gè)月的時(shí)間就完成了RISC-V指令集的開發(fā)。其目標(biāo)是新的指令集能滿足從微控制器到超級(jí)計(jì)算機(jī)等各種尺寸的處理器。

技術(shù)當(dāng)然是成功的重要方面，但也需要成功的運(yùn)營(yíng)。其實(shí)在RISC-V指令集架構(gòu)之前，伯克利分校已經(jīng)有了四代RISC指令集架構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，第一代RISC指令集早在1981年就已經(jīng)出現(xiàn)，因此指令集的開發(fā)簡(jiǎn)單與否并不是那么容易得出結(jié)論。

從2015年非盈利性組織R ISC-V基金會(huì)（RISC-V Foundation）成立時(shí)的25個(gè)成員，至今已經(jīng)有300多個(gè)單位加入，為RISC-V的發(fā)展建立了良好的生態(tài)環(huán)境。除了學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)外，像芯片開發(fā)、軟件工具、設(shè)計(jì)服務(wù)與系統(tǒng)等廠商，都有加入。其中包括阿里、谷歌、華為、英偉達(dá)、高通、麻省理工學(xué)院、普林頓大學(xué)、印度理工學(xué)院、中科院計(jì)算所、英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科、Mentor Graphics、Express Logic（于2019年4月被微軟收購(gòu)）、西部數(shù)據(jù)、希捷等。

開放的生態(tài)得到眾多機(jī)構(gòu)、企業(yè)支持的同時(shí)，RISC-V生態(tài)自身也在不斷成長(zhǎng)，尤其是近年來(lái)面對(duì)著異構(gòu)計(jì)算的趨勢(shì)，越來(lái)越多的人認(rèn)為，未來(lái)X86、ARM、RISC-V有機(jī)會(huì)三分天下。

生態(tài)建設(shè)尚在初期

對(duì)于高壁壘的芯片設(shè)計(jì)、芯片架構(gòu)行業(yè)而言，十年時(shí)間猶如“彈指一揮間”，年輕的RISC-V雖然潛力十足，可相對(duì)Intel、ARM等前輩而言，其自身生態(tài)依舊處于發(fā)展初期。

RISC-V的優(yōu)勢(shì)在于在指令集發(fā)展上以開源方式為主，在RISC-V基本的指令集不變的情況下，任何人（或廠商）皆可以在基本的指令集上，進(jìn)一步建構(gòu)屬于符合市場(chǎng)所需的指令集。由于開源的關(guān)系，社群彼此之間可以交流互通有無(wú)，對(duì)于RISC-V社群形成更多貢獻(xiàn)，進(jìn)而有助于技術(shù)上的長(zhǎng)足發(fā)展。

CPU領(lǐng)域不是靠自己?jiǎn)未颡?dú)斗，還需要更多生態(tài)環(huán)境的配合，包括編譯器、工具鏈等，需要更多的伙伴參與生態(tài)的建設(shè)，RISC-V早期產(chǎn)生和發(fā)展都是在國(guó)外，發(fā)展節(jié)奏里，國(guó)際協(xié)作是非常關(guān)鍵的。作為新的指令集，RISC-V現(xiàn)在在早期階段，生態(tài)環(huán)境不夠完整。在發(fā)展初期，主要是一些軟件生態(tài)環(huán)境的成熟性和豐富性，需要一定時(shí)間發(fā)展，但是在特定的邊緣應(yīng)用領(lǐng)域?qū)@個(gè)依賴度沒(méi)有那么高，發(fā)展的會(huì)更好一些。

X86和ARM之后的新勢(shì)力

在半導(dǎo)體的歷史上，X86、ARM作為主流架構(gòu)一直都占有著很大的市場(chǎng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，而RISC-V作為新興架構(gòu)，以其精簡(jiǎn)的體量，或許在未來(lái)的IoT領(lǐng)域中能取得絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，其他的應(yīng)用場(chǎng)景還包括手機(jī)、服務(wù)器、存儲(chǔ)等市場(chǎng)。

商業(yè)化發(fā)展最為重要的關(guān)鍵，還是終端應(yīng)用是否有意愿大量使用RISC-V架構(gòu)的主流產(chǎn)品，例如智慧電表、智慧穿戴或是智能馬達(dá)控制。廣泛地講，這些產(chǎn)品都可被歸類在互聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域中，由于這個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍極為多元，擁有相對(duì)較高客制化的需求，其實(shí)是RISC-V可以發(fā)揮其特色的舞臺(tái)。

如EDA與晶圓代工業(yè)者，大多都與ARM陣營(yíng)有較為深厚的合作關(guān)系。若能取得EDA與晶圓代工業(yè)者的合作，在28與22nm制程方面能有突破性的進(jìn)展，以取得效能與成本上的優(yōu)勢(shì)，這將有機(jī)會(huì)取得一些芯片與OEM業(yè)者的青睞。

RISC-V的商業(yè)引入填補(bǔ)了計(jì)算機(jī)行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)的空白。它不僅打破了ARM和Intel現(xiàn)有的ISA雙寡頭壟斷，允許用戶掌控自己的命運(yùn)，還建立了一個(gè)開放的框架來(lái)推動(dòng)全球合作和創(chuàng)新。

中國(guó)有望成為中堅(jiān)力量

RISC-V在中國(guó)受到極大掛住，這背后也有地緣政治的原因。伴隨著中美之間的貿(mào)易摩擦，科技冷戰(zhàn)也開始打響。美國(guó)政府加大美國(guó)先進(jìn)技術(shù)對(duì)中國(guó)企業(yè)的出口管制，迫使以華為為首的中國(guó)高科技企業(yè)尋求自主創(chuàng)新之道。雖然多年來(lái)中國(guó)科研院所和企業(yè)先后購(gòu)買Intel、AMD、MIPS和Arm架構(gòu)授權(quán)，但在微處理器研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面都沒(méi)能形成突破性進(jìn)展，更談不上“自主可控”了。RISC-V恰逢其時(shí)，短短兩年時(shí)間內(nèi)就在中國(guó)半導(dǎo)體業(yè)界形成“芯芯之火”的燎原之勢(shì)。

“中國(guó)RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”和“中國(guó)開放指令生態(tài)系統(tǒng)（RISC-V）聯(lián)盟”也在去年相繼成立，上海市經(jīng)濟(jì)信息委發(fā)布的《上海市經(jīng)濟(jì)信息化委關(guān)于開展2018年度第二批上海市軟件和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金（集成電路和電子信息制造領(lǐng)域）項(xiàng)目申報(bào)工作的通知》中包含了基于RISC-V指令集架構(gòu)的處理器芯片方向，可以被視為國(guó)內(nèi)首個(gè)支持RISC-V的相關(guān)政策。

在這樣的大背景下，RISC-V被看作中國(guó)集成電路領(lǐng)域的新機(jī)遇，被寄予很高的期望， 對(duì)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，全新的RISC-V使得我國(guó)得以與其他國(guó)家站在同一起跑線上，有望在全新生態(tài)構(gòu)建中樹立話語(yǔ)權(quán)，另外，其開源的特點(diǎn)有利于我國(guó)自主可控的實(shí)現(xiàn)。

而中國(guó)之外，RISC-V的開源同樣吸引了全球的關(guān)注，印度已經(jīng)將RISC-V定為國(guó)家指令集;以色列國(guó)家創(chuàng)新局將基于RISC-V研制作為全國(guó)企業(yè)服務(wù)的處理平臺(tái)。

大有可為的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代

時(shí)勢(shì)造英雄，RISC-V的崛起，離不開5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)整個(gè)IT科技大生態(tài)的推動(dòng)，其大大降低了芯片門檻，讓更多人有能力定制處理器芯片，可謂是ARM之后的又一次生態(tài)更新。

當(dāng)前全球物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要分為三大主線：面向需求側(cè)的消費(fèi)性物聯(lián)網(wǎng)、面向供給側(cè)的生產(chǎn)性物聯(lián)網(wǎng)以及與智慧城市發(fā)展相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)下游場(chǎng)景極具多元化，其中的諸多場(chǎng)景對(duì)已有通信技術(shù)提出了更高要求，這也成為了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展瓶頸之一。支持更大帶寬、更低時(shí)延、更高可靠性和更多連接數(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)自標(biāo)準(zhǔn)探討之日起就以為各物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景服務(wù)為主要定位，隨著5G網(wǎng)絡(luò)商用新周期的開啟，物聯(lián)網(wǎng)有望迎來(lái)快速發(fā)展期。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，指令集架構(gòu)已經(jīng)形成了較為穩(wěn)定的市場(chǎng)格局，X86和ARM作為當(dāng)前最成功的兩大指令集，一個(gè)主宰了服務(wù)器和PC市場(chǎng)，另一個(gè)則統(tǒng)治了移動(dòng)通訊市場(chǎng)。全新的RISC-V指令集很難在短期內(nèi)挑戰(zhàn)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)格局，而全新的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)為RISC-V的發(fā)展提供了難得的歷史機(jī)遇。RISC-V具有開源、精簡(jiǎn)、模塊化的特征完全符合物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)下游多元化、碎片化的應(yīng)用場(chǎng)景，有望提供更高性價(jià)比的服務(wù)，成為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的首選。

根據(jù)分析機(jī)構(gòu)Semico Research的最新報(bào)告《RISC-V市場(chǎng)分析：新興市場(chǎng)》估計(jì)，到2025年，市場(chǎng)將總共消費(fèi)624億個(gè)RISC-VCPU內(nèi)核，預(yù)計(jì)工業(yè)領(lǐng)域?qū)⑹亲畲蟮募?xì)分市場(chǎng)，擁有167億個(gè)內(nèi)核。Semico預(yù)測(cè)RISC-V CPU內(nèi)核的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR），估計(jì)包括計(jì)算機(jī)，消費(fèi)者，通訊，運(yùn)輸和工業(yè)市場(chǎng)在內(nèi)的細(xì)分市場(chǎng)在2018年至2025年之間的平均復(fù)合年增長(zhǎng)率為146.2%。

讓更多的人和公司能擁有自己的芯片

RISC-V選擇開源的道路，目標(biāo)就是讓芯片設(shè)計(jì)更平民化，降低芯片設(shè)計(jì)的門檻，從而讓更多的人和公司能擁有自己的芯片。

過(guò)去，芯片設(shè)計(jì)有時(shí)需要上億研發(fā)費(fèi)用，投入上百人年，中小企業(yè)不易承擔(dān)，而且也不一定能掌握發(fā)展的主動(dòng)權(quán)，開源芯片設(shè)計(jì)可望將芯片設(shè)計(jì)門檻大大降低，以至于3—5人的小團(tuán)隊(duì)在3—4個(gè)月內(nèi)，只需幾萬(wàn)元便能研制出一款有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的芯片，從而將促進(jìn)芯片產(chǎn)業(yè)的繁榮，能更好地支持人工智能等等新一代信息技術(shù)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

異構(gòu)計(jì)算出現(xiàn)的背景是半導(dǎo)體制造工藝的摩爾定律遇到瓶頸，先進(jìn)工藝制造成本快速上升但是在性能上卻無(wú)法帶來(lái)很大提升。在這樣的背景下， 通用化的芯片通過(guò)摩爾定律提升性能的速度變得很慢，而系統(tǒng)廠商也無(wú)法再指望使用一款通用芯片平臺(tái)來(lái)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，而必須針對(duì)不同的場(chǎng)景使用專用的定制化芯片，這也就是異構(gòu)計(jì)算的范式，而這也是RISC-V生態(tài)成長(zhǎng)的推動(dòng)力。

尚需沉淀的商業(yè)模式

羅馬不是一天建成的，RISC-V想要成為半導(dǎo)體芯片處理器三巨頭之一，顯然還有一條很長(zhǎng)的路要走。IP必須滿足嚴(yán)格的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)以及在當(dāng)今商業(yè)硬件中的長(zhǎng)期支持和維護(hù)而不破壞SoC或系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)有的總擁有成本模型，風(fēng)險(xiǎn)在于，對(duì)于一款幾乎沒(méi)有差異的設(shè)備，通常通過(guò)在驗(yàn)證、物理設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)上花費(fèi)的時(shí)間和成本，最大程度地減少與許可相關(guān)的成本節(jié)省。

RISC-V目前只有在一些低頻低功耗的簡(jiǎn)單場(chǎng)景有一些應(yīng)用，但高端市場(chǎng)依然是ARM的天下，就連能夠支持linux（無(wú)論芯片還是軟件工具鏈等）也都是近些年的事。

同時(shí)，RISC-V雖然是開源的，但不是像Linux和Android一樣拿來(lái)就可以用，RISC-V是一個(gè)指令集架構(gòu)，想要使用它還要做很多設(shè)計(jì)工作，這些工作不僅必要而且辛苦，甚至比ARM的設(shè)計(jì)還要難一些。想要借助RISC-V真正的盈利，就必須先構(gòu)建起整個(gè)從軟件到硬件，從設(shè)計(jì)到工具的整個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，這就需要吸引更多的公司和人才加入研究，以及長(zhǎng)時(shí)間的沉淀。

寫在最后：三分天下或可期

RISC-V的商業(yè)引入填補(bǔ)了計(jì)算機(jī)行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)的空白。它不僅打破了ARM和Intel現(xiàn)有的ISA雙寡頭壟斷，允許用戶掌控自己的命運(yùn)，還建立了一個(gè)開放的框架來(lái)推動(dòng)全球合作和創(chuàng)新。

通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，允許用戶根據(jù)特定的計(jì)算需求添加特定的擴(kuò)展，RISC-V開啟了完全不同的可能性。同樣重要的是，RISCV從占主導(dǎo)地位的行業(yè)巨頭英特爾和AMR手中奪取了微處理器的控制權(quán)。

RISC-V芯片可以用于專注于特定的人工智能任務(wù)，如圖像識(shí)別或機(jī)器語(yǔ)言翻譯，也可以用于建立跨越幾代設(shè)備和產(chǎn)品的微控制器框架，而細(xì)分市場(chǎng)的剛需也能推動(dòng)RISC-V進(jìn)一步成長(zhǎng)。