能和Intel、ARM三分天下的RISC-V究竟為何物？

“未來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，是時候關(guān)注這個小眾卻并不冷門的處理器分支了。

本科生設(shè)計出64位RISC-V處理器

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

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

本科生、國產(chǎn)芯片、“一生一芯”計劃……當這些詞匯匯聚在一起時，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關(guān)注的焦點。

備受推崇的開源芯片

對于關(guān)注我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的科技粉而言，RISC-V處理器并沒有多陌生，中國工程院院士、中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟（CRVA）理事長倪光南發(fā)表演講《迎接開源芯片新潮流》時就有提到過，“未來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。”

倪光南表示，從世界的角度來看，兩類架構(gòu)的 CPU 已經(jīng)占據(jù)市場。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，在移動領(lǐng)域有壟斷的地位。

移動端霸主ARM，精簡和靈活是RISC-V的兩大優(yōu)勢。RISC-V指令集在最初設(shè)計時，其研發(fā)團隊就明確表示要追求簡約，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計算機等各種復(fù)雜程度的處理器需求，支持從FPGA、ASIC乃至未來器件等多種實現(xiàn)方式。

事實上，RISC-V每一次現(xiàn)身都很容易引發(fā)熱議，“沒有歷史包袱”的RISC-V很容易成為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)“后進者”的希望，其從誕生起就具備一定的后發(fā)優(yōu)勢，精簡的指令集意味著精簡的開發(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，當時加州大學(xué)伯克利分校的一個研究團隊要設(shè)計一款CPU，為該項目選架構(gòu)的時候研究團隊對比了當時的ARM、MIPS、SPARC和X86等，發(fā)現(xiàn)這些指令集不僅越來越復(fù)雜，還有很多IP法律問題，再加上X86授權(quán)難以獲取，ARM授權(quán)價格昂貴，所以該研究團隊最終決定設(shè)計一套全新的指令集。于是成立了一個四人小組，僅用了3個月的時間就完成了RISC-V指令集的開發(fā)。其目標是新的指令集能滿足從微控制器到超級計算機等各種尺寸的處理器。

技術(shù)當然是成功的重要方面，但也需要成功的運營。其實在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)計經(jīng)驗，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（RISC-V Foundation）成立時的25個成員，至今已經(jīng)有300多個單位加入，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)機構(gòu)外，像芯片開發(fā)、軟件工具、設(shè)計服務(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、高通、麻省理工學(xué)院、普林頓大學(xué)、印度理工學(xué)院、中科院計算所、英偉達、聯(lián)發(fā)科、Mentor Graphics、Express Logic（于2019年4月被微軟收購）、西部數(shù)據(jù)、希捷等。

開放的生態(tài)得到眾多機構(gòu)、企業(yè)支持的同時，RISC-V生態(tài)自身也在不斷成長，尤其是近年來面對著異構(gòu)計算的趨勢，越來越多的人認為，未來X86、ARM、RISC-V有機會三分天下。

生態(tài)建設(shè)尚在初期

對于高壁壘的芯片設(shè)計、芯片架構(gòu)行業(yè)而言，十年時間猶如“彈指一揮間”，年輕的RISC-V雖然潛力十足，可相對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，進一步建構(gòu)屬于符合市場所需的指令集。由于開源的關(guān)系，社群彼此之間可以交流互通有無，對于RISC-V社群形成更多貢獻，進而有助于技術(shù)上的長足發(fā)展。

CPU領(lǐng)域不是靠自己單打獨斗，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)展都是在國外，發(fā)展節(jié)奏里，國際協(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，需要一定時間發(fā)展，但是在特定的邊緣應(yīng)用領(lǐng)域?qū)@個依賴度沒有那么高，發(fā)展的會更好一些。

X86和ARM之后的新勢力

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。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，而RISC-V作為新興架構(gòu)，以其精簡的體量，或許在未來的IoT領(lǐng)域中能取得絕對的優(yōu)勢，其他的應(yīng)用場景還包括手機、服務(wù)器、存儲等市場。

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，由于這個領(lǐng)域應(yīng)用范圍極為多元，擁有相對較高客制化的需求，其實是RISC-V可以發(fā)揮其特色的舞臺。

如EDA與晶圓代工業(yè)者，大多都與ARM陣營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展，以取得效能與成本上的優(yōu)勢，這將有機會取得一些芯片與OEM業(yè)者的青睞。

RISC-V的商業(yè)引入填補了計算機行業(yè)長期以來的空白。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，還建立了一個開放的框架來推動全球合作和創(chuàng)新。

中國有望成為中堅力量

RISC-V在中國受到極大掛住，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。美國政府加大美國先進技術(shù)對中國企業(yè)的出口管制，迫使以華為為首的中國高科技企業(yè)尋求自主創(chuàng)新之道。雖然多年來中國科研院所和企業(yè)先后購買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)化方面都沒能形成突破性進展，更談不上“自主可控”了。RISC-V恰逢其時，短短兩年時間內(nèi)就在中國半導(dǎo)體業(yè)界形成“芯芯之火”的燎原之勢。

“中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”和“中國開放指令生態(tài)系統(tǒng)（RISC-V）聯(lián)盟”也在去年相繼成立，上海市經(jīng)濟信息委發(fā)布的《上海市經(jīng)濟信息化委關(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)展專項資金（集成電路和電子信息制造領(lǐng)域）項目申報工作的通知》中包含了基于RISC-V指令集架構(gòu)的處理器芯片方向，可以被視為國內(nèi)首個支持RISC-V的相關(guān)政策。

在這樣的大背景下，RISC-V被看作中國集成電路領(lǐng)域的新機遇，被寄予很高的期望， 對于國內(nèi)市場來說，全新的RISC-V使得我國得以與其他國家站在同一起跑線上，有望在全新生態(tài)構(gòu)建中樹立話語權(quán)，另外，其開源的特點有利于我國自主可控的實現(xiàn)。

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

大有可為的物聯(lián)網(wǎng)時代

時勢造英雄，RISC-V的崛起，離不開5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)整個IT科技大生態(tài)的推動，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)下游場景極具多元化，其中的諸多場景對已有通信技術(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、更低時延、更高可靠性和更多連接數(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)自標準探討之日起就以為各物聯(lián)網(wǎng)場景服務(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)有望迎來快速發(fā)展期。

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

根據(jù)分析機構(gòu)Semico Research的最新報告《RISC-V市場分析：新興市場》估計，到2025年，市場將總共消費624億個RISC-VCPU內(nèi)核，預(yù)計工業(yè)領(lǐng)域?qū)⑹亲畲蟮募毞质袌觯瑩碛?67億個內(nèi)核。Semico預(yù)測RISC-V CPU內(nèi)核的復(fù)合年增長率（CAGR），估計包括計算機，消費者，通訊，運輸和工業(yè)市場在內(nèi)的細分市場在2018年至2025年之間的平均復(fù)合年增長率為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，目標就是讓芯片設(shè)計更平民化，降低芯片設(shè)計的門檻，從而讓更多的人和公司能擁有自己的芯片。

過去，芯片設(shè)計有時需要上億研發(fā)費用，投入上百人年，中小企業(yè)不易承擔，而且也不一定能掌握發(fā)展的主動權(quán)，開源芯片設(shè)計可望將芯片設(shè)計門檻大大降低，以至于3—5人的小團隊在3—4個月內(nèi)，只需幾萬元便能研制出一款有市場競爭力的芯片，從而將促進芯片產(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)濟的發(fā)展。

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

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，顯然還有一條很長的路要走。IP必須滿足嚴格的驗證標準以及在當今商業(yè)硬件中的長期支持和維護而不破壞SoC或系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)有的總擁有成本模型，風(fēng)險在于，對于一款幾乎沒有差異的設(shè)備，通常通過在驗證、物理設(shè)計和軟件開發(fā)上花費的時間和成本，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單場景有一些應(yīng)用，但高端市場依然是ARM的天下，就連能夠支持linux（無論芯片還是軟件工具鏈等）也都是近些年的事。

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

寫在最后：三分天下或可期

RISC-V的商業(yè)引入填補了計算機行業(yè)長期以來的空白。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，還建立了一個開放的框架來推動全球合作和創(chuàng)新。

通過模塊化設(shè)計，允許用戶根據(jù)特定的計算需求添加特定的擴展，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)，如圖像識別或機器語言翻譯，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，而細分市場的剛需也能推動RISC-V進一步成長。