RISC-V的中國情緣

原標(biāo)題：RISC-V的中國情緣

說到x86和ARM，大家可能并不陌生?；趚86的英特爾與AMD幾乎制霸PC端芯片，ARM架構(gòu)也開始在麒麟、驍龍等手機終端芯片上大展拳腳。

與這兩位“頂流”相比，另一個備受中國半導(dǎo)體廠商喜愛的架構(gòu)RISC-V，大眾層面的認知度可能就沒那么高了。不過在產(chǎn)業(yè)界人士眼中，它可是被寄予厚望的“潛力股”。

比如中科院院士倪光南先生，就曾在對比x86、Arm和RISC-V時，認為RISC-V很可能發(fā)展成世界主流CPU之一，從而在CPU領(lǐng)域形成Intel、Arm和RISC-V三分天下的格局。

一款“路人緣”不高的架構(gòu)，是誰給它與巨頭搶食的勇氣？一個研發(fā)者來自美國的技術(shù)生態(tài)，又為何與中國情根深種？

欲與x86和ARM試比高：RISC-V到底何方神圣？

說句實話，盡管RISC-V流行已經(jīng)有不少年頭了，但要說清楚它到底是什么，可能連產(chǎn)業(yè)界人士都是一團霧水。

這不，2020年了，RISC-V基金會董事長Krste Asanovic還要親自撰文，以《RISC-V不是開源處理器》（RISC-V is not an “open-source processor”），來為RISC-V正名，真是好慘一架構(gòu)。

那么，RISC-V到底是什么呢？我們嘗試用簡單的方式來問大家梳理一下：

首先，官方已經(jīng)給出了明確的定義，RISC-V是一個基于“精簡指令集（RISC）”原則的開源指令集架構(gòu)。

劃重點， RISC-V并不是一種處理器或芯片（Implementation），而是指令集規(guī)范（Specification）。

指令集是軟件和硬件之間的接口，在CPU中指導(dǎo)它如何進行運算。而作為一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，它如何被使用來設(shè)計芯片級軟件系統(tǒng)，幫助CPU更高效地運行，那就廠商們自憑本事了。

（指令集、微架構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品之間的關(guān)系分析）

其次，RISC-V能夠異軍突起，與其“為開源而生”的特質(zhì)是分不開的。

一款CPU支持的指令集可以有很多種，早在RISC-V出現(xiàn)之前，也存在多種指令集構(gòu)架（ISA），無論是如今獨霸一方的x86、ARM，還是DEC、IBM 360、MIPS、SPARC等等。RISC-V作為“插班生”，是如何彎道超車的？得益于其徹底開放的特性。

2010年，伯克利的研究團隊在為新項目選擇指令集的時候，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的許多指令集都存在知識產(chǎn)權(quán)限制，X86被英特爾封閉使用、ARM則收取高昂的授權(quán)費用，所以決定從零開始設(shè)計一套全新的指令集。

4名成員僅用了3個月就完成了RISC-V的開發(fā)工作，并且決定以BSD（Berkeley Software Distribution）開源協(xié)議將其開放。這是一個自由度非常大的協(xié)議，使用者幾乎不受任何限制，誰都可以基于RISC-V來設(shè)計自己的處理器，并且不需要支付授權(quán)費用。這讓RISC-V顯得格外“骨骼清奇”。

除此之外，它是按照精簡指令的設(shè)想被開發(fā)的，精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Computer-RISC)結(jié)構(gòu)可以降低CPU的復(fù)雜性，允許在同樣的工藝水平下生產(chǎn)出功能更強大的CPU。自然很快就擁有了大量的開源實踐和流片案例。

而在此基礎(chǔ)上，RISC-V開始收獲了自己最重要的籌碼——社區(qū)生態(tài)。

每一種芯片，想要取得商業(yè)上的規(guī)模化成績，都離不開生態(tài)系統(tǒng)的支撐。比如x86的強大，就源自英特爾多年培養(yǎng)的服務(wù)器芯片生態(tài)系統(tǒng)。而指令集向上承接軟件，向下規(guī)范硬件，作為“中間商”的它自然更需要兩端的生態(tài)力量。

伴隨著RISC-V指令集在技術(shù)上面的成熟，加州大學(xué)伯克利分校在2015年成立非盈利組織RISC-V基金會，打造RISC-V生態(tài)系統(tǒng)。果不其然，會員數(shù)的年增長率超過 100%。

谷歌、高通、IBM、英偉達、NXP、西部數(shù)據(jù)、Microsemi、中科院計算所、麻省理工學(xué)院、華盛頓大學(xué)、英國宇航系統(tǒng)公司、華為、特斯拉、三星、日立、希捷、阿里巴巴、聯(lián)發(fā)科……一個個知名企業(yè)與研究機構(gòu)加入其中。

匯聚了半導(dǎo)體設(shè)計公司、系統(tǒng)集成商、設(shè)備制造商、軍工企業(yè)、科研機構(gòu)等等產(chǎn)業(yè)力量的RISC-V，工具鏈、應(yīng)用化自然是喜報頻傳。

去年，特斯拉考慮在新款芯片中使用免費的 RISC-V 設(shè)計；英偉達也將把RISC-V用于GPU 內(nèi)部的控制器；三星也披露將在多種芯片上采納SiFive公司的RISC-V內(nèi)核，用于5G旗艦手機。

RISC-V 的生態(tài)鏈日漸成長和完善，甚至可以在某些細分市場與ARM爭鋒了。至此，大家或許對其成為“三大CPU之一”不會感到奇怪。

相見恨晚：RISC-V的中國情緣

如此重要的開源架構(gòu)，RISC-V自然也得到了渴盼半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的政府的重度支持。

比如印度政府資助的處理器相關(guān)項目都開始向RISC-V 靠攏，讓RISC-V成為了事實上的國家級指令集；巴基斯坦政府也宣布將RISC-V列為國家級preferred architecture。但要說RISC-V與哪個國家最為密切，中國真的算數(shù)一數(shù)二。

一方面體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)融合度上。

中科院計算所、華為公司、阿里巴巴集團等在內(nèi)的20多個國內(nèi)企事業(yè)單位，都加入了RISC-V基金會。伯克利、清華兩所高校還在深圳成立了RIOS實驗室，以扶持RISC-V軟件生態(tài)。2018年7月，上海經(jīng)信委出臺了國內(nèi)首個支持RISC-V的政策。

有數(shù)據(jù)顯示，中國大約300家以上的公司都在關(guān)注或以RISC-V指令集進行開發(fā)。而發(fā)展至今，已經(jīng)有不少企業(yè)基于RISC-V構(gòu)建了開源芯片關(guān)鍵技術(shù)，推出了相關(guān)產(chǎn)品，比如平頭哥半導(dǎo)體推出的基于RISC-V構(gòu)架的玄鐵910處理器IP核心。

另一方面，則體現(xiàn)在國際輿論的動態(tài)上。

比如在貿(mào)易戰(zhàn)期間，RISC-V處理器是否涉及美國出口管制條例，就引發(fā)了不小的爭論。盡管美國以外的企業(yè)（包括歐洲、中國等）自主研制的RISC-V處理器，并不會收到實質(zhì)性的出口管制約束。但RISC-V基金會還是決定將總部搬到瑞士，這種態(tài)度顯然與其他美國科技企業(yè)拉開了差距。

那么，除了秉承開放自由的理念之外，中國這塊土地究竟與RISC-V產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，恐怕也需要從邏輯上去追尋的。

目前看來，讓RISC-V與中國情緣不斷的核心原因，主要有三個：

原因之一，是RISC-V自身的特殊優(yōu)勢。

開放原始碼指令集并不少見，為什么RISC-V能夠獨得青眼，免費、開放這種共性自然還不夠。與歷代指令集構(gòu)架相比，RISC-V有三個特點是比較特別的：首先是簡潔，x86與ARM作為商用架構(gòu)，為了能夠保持向后兼容性，不得不保留許多過時的定義。而RISC-V作為后起之秀，則沒有這些歷史包袱，由于不用向后兼容，所以指令集文檔也相對更短，從而讓開發(fā)者更快地上手。

其次，RISC-V的模塊化架構(gòu)為廠商提供了更高的靈活性，以及定制化生產(chǎn)的前提。RISC-V是第一個被設(shè)計成可以根據(jù)具體場景可以選擇恰當(dāng)指令集的架構(gòu)，不同的部分可以以模塊化的方式組織在一起，就像拼盤一樣各取所需，從而得以用一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用需求。這種擴展性可以降低芯片開發(fā)的周期和門檻，小公司也能參與其中，直接提升廠商的差異化競爭力。

而像ARM架構(gòu)中的Application（應(yīng)用操作系統(tǒng)）、Real-Time（實時）和Embedded（嵌入式），彼此之間就并不兼容，無法進行定制化設(shè)計。

原因之二，則是中國廠商的大力擁抱。

RISC-V在中國的成功，與我國芯片研發(fā)受制于人的現(xiàn)狀不無關(guān)系?；陂_源的RISC-V，做出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片，培養(yǎng)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，對于中國半導(dǎo)體來說無疑是沙漠中的一股清泉。

尤其是在政治環(huán)境不明朗的情況下，全球90%以上的服務(wù)器芯片市場都建立在英特爾的x86架構(gòu)上，而ARM已經(jīng)被日本軟銀收購，雖然可以買到IP授權(quán)，但缺少了設(shè)計CPU的核心能力，授權(quán)基礎(chǔ)上的產(chǎn)業(yè)能否長期穩(wěn)固，也是一道未解之謎。而RISC-V指令集本身不是商品，自然也就更少爭議。

除了政策上的風(fēng)險之外，中國如火如荼的人工智能建設(shè)，也進一步驅(qū)使國內(nèi)廠商擁抱RISC-V。比如智能音箱、智能家居等更需要邊緣計算能力支撐的AI硬件，對架構(gòu)的靈活性要求也更高，需要不斷根據(jù)市場和技術(shù)的變化來進行調(diào)整。RISC-V就可以滿足不斷添加新指令的訴求，而對于ARM等架構(gòu)來說就很難。

二者疊加之下，RISC-V成為中國廠商眼中的“良人”也就不足為奇了。

三是萬物互聯(lián)的熱土。

如果說前面是中國擁抱RISC-V的理由，那么RISC-V也對中國這片土壤有著深層的依賴。

我們知道，x86指令集基本上統(tǒng)治了PC市場，而ARM指令集則占領(lǐng)了移動端處理器的大部分市場，在別人的主場RISC-V想要撼動市場恐怕難上加難。而AIoT領(lǐng)域的出現(xiàn)，則給RISC-V帶來了前所未有的機遇。

一方面，X86和ARM并沒有在這一領(lǐng)域有先發(fā)優(yōu)勢，更談不上一統(tǒng)江湖，這給了RISC-V與其爭雄的前提。另外，物聯(lián)網(wǎng)對軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的要求不像手機那么高，本身產(chǎn)業(yè)鏈短、場景垂直，RISC-V類安卓的碎片化、靈活可配置的特征，也決定了它更適合在這塊天地里自由翱翔。

此外，物聯(lián)網(wǎng)廠商對于成本更加敏感，RISC-V免除了昂貴的指令集授權(quán)費用，可以激活更多不具備自主設(shè)計SoC能力的企業(yè)加入生態(tài)建設(shè)的行列中來，開發(fā)多樣化的RISC-V設(shè)備，以充分的創(chuàng)新來激活整個開發(fā)生態(tài)圈。

實際上，市面上RISC-V構(gòu)架芯片，如華米科技的AI芯片黃山1號、中天微電子的CK902等，都瞄準(zhǔn)的是物聯(lián)網(wǎng)這個大市場。顯然，當(dāng)生態(tài)建設(shè)是由一個國家、整個行業(yè)來共同推動時，這種勢能要遠比某個巨頭要強大的多。所以說，RISC-V要高速發(fā)展，重視中國也就順理成章。

如果說x86時代WinTel拼殺的是PC和服務(wù)器，ARM+安卓爭奪的是智能手機的江山，那么RISC-V與中國產(chǎn)業(yè)的擁抱將以AIoT為粘合劑，長久纏綿。

下一站冒險島：RISC-V與中國的半導(dǎo)體遠望

如膠似漆背后，如何攜手走向未來，對中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的意義十分重大。

而在此時，我們恐怕需要從“熱戀”的情緒中短暫地脫離出來，去思考一些“成家立業(yè)”的現(xiàn)實問題。

首先，RISC-V生態(tài)相比ARM和x86依然不夠完整，目前主要應(yīng)用在相對中低端的產(chǎn)品上，在高性能服務(wù)器CPU、GPU上，沒有出現(xiàn)應(yīng)用范圍廣的案例。

這一方面是源自于基于RISC-V芯片的相應(yīng)軟件、工具鏈還有待完善。開放原始碼不是拿來就能用的，指令集開源并不意味著CPU核心也同時授權(quán)，這對芯片公司提出了不小的設(shè)計和研發(fā)要求。顯然，在芯片這塊硬骨頭面前，RISC-V只是幫中國行業(yè)走了一小段捷徑，而前方還有崇山峻嶺等待攀爬。

其次，在前瞻技術(shù)尚未攻破的前提下，RISC-V卻已經(jīng)在國內(nèi)展現(xiàn)出營銷造勢過度傾向。將“國外一開源，國內(nèi)就自主”的老傳統(tǒng)充分發(fā)酵，在芯片“卡脖子”的焦慮下，通過炒作、成立合資公司的形式，標(biāo)榜自主可控。比如在國內(nèi)大肆宣揚“RISC-V是開源的”打擦邊球，RISC-V基金會董事長專門撰文澄清，可能也是對這些混淆概念的操作無法沉默了。

這種消耗大眾信任的過度炒作，也會透支RISC-V及相關(guān)產(chǎn)品的可信度，從而拖了中國芯的后腿。

此外，每一種架構(gòu)的產(chǎn)業(yè)能用性，都需要百花齊放的產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新來支撐。而RISC-V賦予各個廠家設(shè)計硬件的自由度的同時，也會出現(xiàn)安卓系統(tǒng)一樣，由于設(shè)備多樣、向下兼容，而出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不一、開發(fā)生態(tài)破碎的問題。

這樣很可能產(chǎn)生，實際應(yīng)用時不同芯片廠商的RISC-V架構(gòu)處理器無法適配同一軟件的情況。盡管目前很嚴(yán)重的碎片化問題還沒有發(fā)生，但AIoT網(wǎng)絡(luò)的特性決定了這一現(xiàn)象幾乎是不可避免的。

一個強有力的主導(dǎo)廠商，以垂直生態(tài)的方式孵化開發(fā)者，以標(biāo)準(zhǔn)化來規(guī)范大多數(shù)程式碼，同時為不干擾核心的應(yīng)用擴展留出空間，建立相關(guān)應(yīng)用市場等基礎(chǔ)平臺，或許能夠更快驅(qū)動產(chǎn)業(yè)形成RISC-V創(chuàng)新生態(tài)。

最后，RISC-V核心應(yīng)用場景IoT的安全問題也必須開始交付完整的產(chǎn)業(yè)解決方案。

SOC芯片的安全機制，往往是由硬件強制隔離程序、資料和存儲，建立可信任執(zhí)行環(huán)境；以及唯一證書和秘鑰作為信任根，加上安全啟動以及一系列工具等，來共同為系統(tǒng)安全保駕護航。RISC-V的系統(tǒng)指令、特權(quán)指令里沒有安全指令，采用軟件定義域MultiZone，以硬件強化的方式來保障穩(wěn)定運行。

這種情況下，RISC-V想要借助AIoT和5G浪潮蓬勃生長，與ARM和x86競爭，就必須在安全性上更勝一籌，才能得到芯片廠商與普通用戶的信任。

最近RISC-V基金會成立了RISC-V安全常務(wù)委員會，圍繞基于RISC-V指令集的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和機器學(xué)習(xí)等討論安全改進方案。中國方面會如何反應(yīng)，拭目以待。

（RISC-V CPU的增長趨勢及主要應(yīng)用市場）

分析機構(gòu)Semico Research在《RISC-V市場分析：新興市場》的報告中指出，預(yù)計到2025年，市場將總共消費624億個RISC-V CPU內(nèi)核。RISC-V CPU內(nèi)核從2018年至2025年之間的平均復(fù)合年增長率將高達146.2％。其中，5G手機、通訊、工業(yè)等細分市場，將為布局RISC-V的廠商帶來新機。

今天我們能夠探討RISC-V在中國市場的走紅，也證明了，中國半導(dǎo)體企業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了一個新的臺階，擁有了向更高產(chǎn)業(yè)天花板沖擊的自信與潛力。除了RISC-V之外，龍芯、MIPS等開源架構(gòu)也在產(chǎn)業(yè)獨立自主的備選名單里。

這一場頂層架構(gòu)爭奪戰(zhàn)，到底會延展出怎樣繁盛的細節(jié)，值得我們持續(xù)關(guān)注。

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