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技術解碼 | 變局時代:RISC-V處理器架構的技術演變及商業想象(上)

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技術解碼欄目:是面向開發者詳細解讀晶片開放社群(OCC)上關于處理器、晶片、基礎軟體平台、內建開發環境及應用開發平台的相關技術,友善開發者學習及快速上手,提升開發效率。

【編者按】RISC-V架構近幾年的迅猛發展,使其在學術界和産業界的熱度不斷提升。憑借極簡、子產品化、可拓展等屬性,RISC-V有望成為新時代的主導架構。故從本期開始,我們将為大家推薦RISC-V知識圖譜系列内容,帶大家從“應用開發”、“商業”、“技術創新”等不同角度視角認識RISC-V。

本文為RISC-V知識圖譜系列的開篇之作,共分為上下兩篇。本篇文章主要從技術與商業視角介紹RISC-V架構的起源,分析RISC-V發展如此迅速的原因,并剖析X86架構與ARM架構成功的原因。

01 RISC-V架構起源

RISC-V架構是一種開源的指令集架構。最早是由美國伯克利大學的Krest教授及其研究團隊提出的,當時提出的初衷是為了計算機/電子類方向的學生做課程實踐服務的。

由于這是伯克利大學研究并流片的第五代RISC架構處理器,是以就命名為RISC-V,其中“V”是羅馬字母的數字5的意思。2015年,RISC-V架構開始以基金會的形式營運,Google、Nvidia、Western Digital等國際知名的網際網路和半導體企業都是其創始會員。

2020年,RISC-V基金會考慮到整個組織和技術的中立性,将總部由美國遷移到了歐洲的瑞士(瑞士一直是國際上有名的中立國,在第一次世界大戰和第二次世界大戰期間都保持了中立國的角色),并将名字由RISC-V Foundation改名為RISC-V International,RISC-V國際希望堅持架構的中立、開放與普惠,并服務于全球技術生态。

技術解碼 | 變局時代:RISC-V處理器架構的技術演變及商業想象(上)

(圖檔來自:RISC-V International)

02 RISC-V架構的迅猛發展

從RISC-V架構誕生到現在已經有11年的時間,尤其在基金會營運的這幾年裡,RISC-V開始快速發展,不僅知名度迅速提升,而且在應用上也從之前的大學教學和研究大踏步進入了産業界,包括Western Digital、阿裡巴巴平頭哥半導體等均開始了RISC-V架構的CPU核以及晶片的量産應用。

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軟體生态方面,RISC-V生态也是迅猛發展,從各種主流的程式設計語言(如C、C++、Golang),到主流的GCC、LLVM等編譯系統,到Linux與各種RTOS作業系統核心,到Ubuntu、Debian等常見的作業系統發行版,以及容器Docker等應用軟體等等。

目前,除了各種算法庫優化支援、Android生态以及伺服器生态RISC-V還相對較弱外,其餘的軟體生态基本可以滿足開發應用的需要。RISC-V花了差不多5年的時間完成了ARM過去花了二十年積累的軟體生态(1990 - 2010),就連近期曾經著名的CPU廠商MIPS公司也宣布放棄MIPS架構轉而支援蓬勃發展的RISC-V架構。

在處理器發展的幾十年曆史中,各種處理器架構曾經層出不窮,從開始的Intel X86架構,到後來的IBM POWER架構、MIPS架構、DEC Alpha架構、Sun Sparc架構以及後來的ARM架構,此外還有Motorola、TI、Hitachi、RENESAS等各種小衆處理器架構等,各種處理器架構曾百花齊放過。

但是經過近30年産業的大浪淘沙,其他的處理器架構逐漸的留在了曆史的博物館中,目前隻留下了X86和ARM兩大強勢的處理器架構。

未來,從全球開發者的角度看,一定是希望基于有限的處理器架構做上層軟體的開發,是以可以基本确定的是未來隻有2-3家處理器架構可以存活下來,而RISC-V有很大機率成為繼X86和ARM架構之外,處理器架構的第三級(甚至是第二級)。

03 從商業角度看X86與ARM成功的原因

(1)X86架構

縱觀處理器架構的演進,處理器架構正在從以往的技術驅動型轉變為商業模式驅動型,處理器架構的開放、開源是大勢所趨。

在處理器晶片時代,Intel憑借其強大的制造技術技術結合其架構與微架構的創新,打敗了IBM Power、Sun Sparc等一衆明星,成為處理器晶片時代的霸主。但是X86架構是一種閉源的架構,全世界的方案商、應用商想獲得X86架構隻有通過購買他家的晶片獲得,而無法基于其架構開發晶片(AMD、威盛等公司是由于IBM/美國政府為了防止Intel出現壟斷而強行要求X86架構必須有另外一家公司也開展研發與生産業務)。在X86架構之後,ARM架構出現了。

(2)ARM架構

ARM架構的成功,與其說是技術的成功(那個時候ARM架構才剛起步,相比于疊代完善了幾十年的X86架構來說肯定是有缺陷的),不如說是商業模式的成功帶來的。ARM架構的出現,将之前高貴的閉源的處理器架構帶到了“開放的”位置(注意,此處筆者用了“開放”一詞),處理器架構不再是一兩家高貴的晶片廠商的殺手锏,它變成了廣大晶片公司觸手可及的東西。

ARM成功的主要原因,就是把處理器架構作為一種基礎技術被其他的晶片廠商所內建,進而将一堆的晶片公司圍繞在自己身邊并形成了自己的小夥伴陣營,其中不乏高通、蘋果等一批技術能力優于ARM的公司,這是一個典型的群狼鬥猛虎的故事(群狼指的是ARM的小夥伴陣營,猛虎指的是Intel,當然這裡還少不了TSMC等制造廠的強勢相助。筆者認為,晶片的核心技術基礎設施化是大勢所趨,也是推動晶片開放、普惠的核心力量,其中ARM的IP授權模式與TSMC的制造能力開放是半導體領域兩個最有革命性的商業模式創新,如果讀者們感興趣以後另開文章來講,這裡就不展開了)。

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當然,ARM的成功也得益于曆史的大趨勢,那就是功能手機的出現,以及功能手機之後智能手機的興起和普及,商業模式的革命遇上曆史的浪潮使得ARM從傳統的農村地帶逐漸進入了城市地帶并最終進入了舞台的中央(ARM目前已經殺入了X86的傳統強勢地盤,包括蘋果的M1 PC機晶片以及Ampere/亞馬遜等的伺服器晶片)。