RISC-V的中國(guó)情緣

說(shuō)到 x86 和 ARM，大家可能并不陌生?；?x86 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(jī)終端芯片上大展拳腳。

與這兩位“頂流”相比，另一個(gè)備受中國(guó)半導(dǎo)體廠商喜愛的架構(gòu) RISC-V，大眾層面的認(rèn)知度可能就沒那么高了。不過(guò)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(duì)比 x86、Arm 和 RISC-V 時(shí)，認(rèn)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(shuí)給它與巨頭搶食的勇氣？一個(gè)研發(fā)者來(lái)自美國(guó)的技術(shù)生態(tài)，又為何與中國(guó)情根深種？

欲與 x86 和 ARM 試比高：RISC-V 到底何方神圣？

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

這不，2020 年了，RISC-V 基金會(huì)董事長(zhǎng) 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(lái)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(jiǎn)單的方式來(lái)問(wèn)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(gè)基于“精簡(jiǎn)指令集（RISC）”原則的開源指令集架構(gòu)。

劃重點(diǎn)， 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(jìn)行運(yùn)算。而作為一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，它如何被使用來(lái)設(shè)計(jì)芯片級(jí)軟件系統(tǒng)，幫助 CPU 更高效地運(yùn)行，那就廠商們自憑本事了。

（指令集、微架構(gòu)設(shè)計(jì)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(wú)論是如今獨(dú)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(tuán)隊(duì)在為新項(xiàng)目選擇指令集的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的許多指令集都存在知識(shí)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(fèi)用，所以決定從零開始設(shè)計(jì)一套全新的指令集。

4 名成員僅用了 3 個(gè)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(gè)自由度非常大的協(xié)議，使用者幾乎不受任何限制，誰(shuí)都可以基于 RISC-V 來(lái)設(shè)計(jì)自己的處理器，并且不需要支付授權(quán)費(fèi)用。這讓 RISC-V 顯得格外“骨骼清奇”。

除此之外，它是按照精簡(jiǎn)指令的設(shè)想被開發(fā)的，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(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(qiáng)大的 CPU。自然很快就擁有了大量的開源實(shí)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(jī)，都離不開生態(tài)系統(tǒng)的支撐。比如 x86 的強(qiáng)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(huì)，打造 RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)。果不其然，會(huì)員數(shù)的年增長(zhǎng)率超過(guò) 100%。

谷歌、高通、IBM、英偉達(dá)、NXP、西部數(shù)據(jù)、Microsemi、中科院計(jì)算所、麻省理工學(xué)院、華盛頓大學(xué)、英國(guó)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(gè)個(gè)知名企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)加入其中。

匯聚了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司、系統(tǒng)集成商、設(shè)備制造商、軍工企業(yè)、科研機(jī)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(bào)頻傳。

去年，特斯拉考慮在新款芯片中使用免費(fèi)的 RISC-V 設(shè)計(jì)；英偉達(dá)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(jī)。

RISC-V 的生態(tài)鏈日漸成長(zhǎng)和完善，甚至可以在某些細(xì)分市場(chǎng)與 ARM 爭(zhēng)鋒了。至此，大家或許對(duì)其成為“三大 CPU 之一”不會(huì)感到奇怪。

相見恨晚：RISC-V 的中國(guó)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(xiàng)目都開始向 RISC-V 靠攏，讓 RISC-V 成為了事實(shí)上的國(guó)家級(jí)指令集；巴基斯坦政府也宣布將 RISC-V 列為國(guó)家級(jí) preferred architecture。但要說(shuō) RISC-V 與哪個(gè)國(guó)家最為密切，中國(guó)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(jì)算所、華為公司、阿里巴巴集團(tuán)等在內(nèi)的 20 多個(gè)國(guó)內(nèi)企事業(yè)單位，都加入了 RISC-V 基金會(huì)。伯克利、清華兩所高校還在深圳成立了 RIOS 實(shí)驗(yàn)室，以扶持 RISC-V 軟件生態(tài)。2018 年 7 月，上海經(jīng)信委出臺(tái)了國(guó)內(nèi)首個(gè)支持 RISC-V 的政策。

有數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)大約 300 家以上的公司都在關(guān)注或以 RISC-V 指令集進(jìn)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(guó)際輿論的動(dòng)態(tài)上。

比如在貿(mào)易戰(zhàn)期間，RISC-V 處理器是否涉及美國(guó)出口管制條例，就引發(fā)了不小的爭(zhēng)論。盡管美國(guó)以外的企業(yè)（包括歐洲、中國(guó)等）自主研制的 RISC-V 處理器，并不會(huì)收到實(shí)質(zhì)性的出口管制約束。但 RISC-V 基金會(huì)還是決定將總部搬到瑞士，這種態(tài)度顯然與其他美國(guó)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(guó)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(lái)，讓 RISC-V 與中國(guó)情緣不斷的核心原因，主要有三個(gè)：

原因之一，是 RISC-V 自身的特殊優(yōu)勢(shì)。

開放原始碼指令集并不少見，為什么 RISC-V 能夠獨(dú)得青眼，免費(fèi)、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(gè)特點(diǎn)是比較特別的：首先是簡(jiǎn)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(guò)時(shí)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(duì)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(gè)被設(shè)計(jì)成可以根據(jù)具體場(chǎng)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(kuò)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(jìng)爭(zhēng)力。

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

原因之二，則是中國(guó)廠商的大力擁抱。

RISC-V 在中國(guó)的成功，與我國(guó)芯片研發(fā)受制于人的現(xiàn)狀不無(wú)關(guān)系?；陂_源的 RISC-V，做出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片，培養(yǎng)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)無(wú)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(chǎng)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(gòu)，雖然可以買到 IP 授權(quán)，但缺少了設(shè)計(jì) CPU 的核心能力，授權(quán)基礎(chǔ)上的產(chǎn)業(yè)能否長(zhǎng)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(zhēng)議。

除了政策上的風(fēng)險(xiǎn)之外，中國(guó)如火如荼的人工智能建設(shè)，也進(jìn)一步驅(qū)使國(guó)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(jì)算能力支撐的 AI 硬件，對(duì)架構(gòu)的靈活性要求也更高，需要不斷根據(jù)市場(chǎng)和技術(shù)的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)整。RISC-V 就可以滿足不斷添加新指令的訴求，而對(duì)于 ARM 等架構(gòu)來(lái)說(shuō)就很難。

二者疊加之下，RISC-V 成為中國(guó)廠商眼中的“良人”也就不足為奇了。

三是萬(wàn)物互聯(lián)的熱土。

如果說(shuō)前面是中國(guó)擁抱 RISC-V 的理由，那么 RISC-V 也對(duì)中國(guó)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(chǎng)，而 ARM 指令集則占領(lǐng)了移動(dòng)端處理器的大部分市場(chǎng)，在別人的主場(chǎng) RISC-V 想要撼動(dòng)市場(chǎng)恐怕難上加難。而 AIoT 領(lǐng)域的出現(xiàn)，則給 RISC-V 帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。

一方面，X86 和 ARM 并沒有在這一領(lǐng)域有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，更談不上一統(tǒng)江湖，這給了 RISC-V 與其爭(zhēng)雄的前提。另外，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的要求不像手機(jī)那么高，本身產(chǎn)業(yè)鏈短、場(chǎng)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(duì)于成本更加敏感，RISC-V 免除了昂貴的指令集授權(quán)費(fèi)用，可以激活更多不具備自主設(shè)計(jì) SoC 能力的企業(yè)加入生態(tài)建設(shè)的行列中來(lái)，開發(fā)多樣化的 RISC-V 設(shè)備，以充分的創(chuàng)新來(lái)激活整個(gè)開發(fā)生態(tài)圈。

實(shí)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(hào)、中天微電子的 CK902 等，都瞄準(zhǔn)的是物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)大市場(chǎng)。顯然，當(dāng)生態(tài)建設(shè)是由一個(gè)國(guó)家、整個(gè)行業(yè)來(lái)共同推動(dòng)時(shí)，這種勢(shì)能要遠(yuǎn)比某個(gè)巨頭要強(qiáng)大的多。所以說(shuō)，RISC-V 要高速發(fā)展，重視中國(guó)也就順理成章。

如果說(shuō) x86 時(shí)代 WinTel 拼殺的是 PC 和服務(wù)器，ARM+安卓爭(zhēng)奪的是智能手機(jī)的江山，那么 RISC-V 與中國(guó)產(chǎn)業(yè)的擁抱將以 AIoT 為粘合劑，長(zhǎng)久纏綿。

下一站冒險(xiǎn)島：RISC-V 與中國(guó)的半導(dǎo)體遠(yuǎn)望

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

而在此時(shí)，我們恐怕需要從“熱戀”的情緒中短暫地脫離出來(lái)，去思考一些“成家立業(yè)”的現(xiàn)實(shí)問(wèn)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(duì)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(lái)就能用的，指令集開源并不意味著 CPU 核心也同時(shí)授權(quán)，這對(duì)芯片公司提出了不小的設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)內(nèi)展現(xiàn)出營(yíng)銷造勢(shì)過(guò)度傾向。將“國(guó)外一開源，國(guó)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(guò)炒作、成立合資公司的形式，標(biāo)榜自主可控。比如在國(guó)內(nèi)大肆宣揚(yáng)“RISC-V 是開源的”打擦邊球，RISC-V 基金會(huì)董事長(zhǎng)專門撰文澄清，可能也是對(duì)這些混淆概念的操作無(wú)法沉默了。

這種消耗大眾信任的過(guò)度炒作，也會(huì)透支 RISC-V 及相關(guān)產(chǎn)品的可信度，從而拖了中國(guó)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(lái)支撐。而 RISC-V 賦予各個(gè)廠家設(shè)計(jì)硬件的自由度的同時(shí)，也會(huì)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(wèn)題。

這樣很可能產(chǎn)生，實(shí)際應(yīng)用時(shí)不同芯片廠商的 RISC-V 架構(gòu)處理器無(wú)法適配同一軟件的情況。盡管目前很嚴(yán)重的碎片化問(wèn)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(gè)強(qiáng)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(lái)規(guī)范大多數(shù)程式碼，同時(shí)為不干擾核心的應(yīng)用擴(kuò)展留出空間，建立相關(guān)應(yīng)用市場(chǎng)等基礎(chǔ)平臺(tái)，或許能夠更快驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)形成 RISC-V 創(chuàng)新生態(tài)。

最后，RISC-V 核心應(yīng)用場(chǎng)景 IoT 的安全問(wèn)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(jī)制，往往是由硬件強(qiáng)制隔離程序、資料和存儲(chǔ)，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(dòng)以及一系列工具等，來(lái)共同為系統(tǒng)安全保駕護(hù)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(qiáng)化的方式來(lái)保障穩(wěn)定運(yùn)行。

這種情況下，RISC-V 想要借助 AIoT 和 5G 浪潮蓬勃生長(zhǎng)，與 ARM 和 x86 競(jìng)爭(zhēng)，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(huì)成立了 RISC-V 安全常務(wù)委員會(huì)，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(jī)器學(xué)習(xí)等討論安全改進(jìn)方案。中國(guó)方面會(huì)如何反應(yīng)，拭目以待。

（RISC-V?CPU 的增長(zhǎng)趨勢(shì)及主要應(yīng)用市場(chǎng)）

分析機(jī)構(gòu) Semico Research 在《RISC-V 市場(chǎng)分析：新興市場(chǎng)》的報(bào)告中指出，預(yù)計(jì)到 2025 年，市場(chǎng)將總共消費(fèi) 624 億個(gè) 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(zhǎng)率將高達(dá) 146.2％。其中，5G 手機(jī)、通訊、工業(yè)等細(xì)分市場(chǎng)，將為布局 RISC-V 的廠商帶來(lái)新機(jī)。

今天我們能夠探討 RISC-V 在中國(guó)市場(chǎng)的走紅，也證明了，中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)新的臺(tái)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(dú)立自主的備選名單里。

這一場(chǎng)頂層架構(gòu)爭(zhēng)奪戰(zhàn)，到底會(huì)延展出怎樣繁盛的細(xì)節(jié)，值得我們持續(xù)關(guān)注。