有人稱RISC-V為傳奇，它于2010年首次提出，十餘年間已經能與ARM和X86一較高下，開源、免費、輕量化是它的特點。如今RISC-V已逐漸搭建起良好的技術交流生态，越來越多的“大玩家”也布局其中。由于美國的晶片封鎖，導緻使用ARM架構的風險在不斷提高，是以RISC-V誕生後不久，也被認為是中國破解晶片“卡脖子”難題的關鍵。 有人稱RISC-V是投資騙局。它與ARM同屬于精簡指令集架構，在性能上非常相似，但ARM架構已經積累20多年的IP設計經驗，在消費電子、嵌入式上擁有無可比拟的優勢。此外ARM還擁有完備的産業鍊生态，讓後來者難以挑戰。是以，有很多人并不看好RISC-V最終能夠完成對ARM架構的替代，RISC-V的繁榮也隻是“昙花一現”。 盡管外界對RISC-V的看法既有鼓勵也有擔憂，RISC-V還是經過十三年的發展後初具規模。2022 年 7 月，RISC-V國際基金會首席執行官Calista Redmond在嵌入式世界大會上宣布， RISC-V 架構處理器的出貨數量已突破 100 億顆。專家預測，兩三年後，RISC-V 架構将超越現有的ARM架構和可用性能。RISC-V是怎麼做到從0到100億的？在指令集“大逃殺”中，RISC-V能沖進決賽圈，與ARM和X86同台競技嗎？在本文中，與非網邀請多位業内專家，一起解析RISC-V從技術到市場的發展變革，以及對未來的展望。
合縱：RISC-V從“簡陋”走向完善
RISC-V是一種開放式指令集架構（ISA），它的設計源于加州大學伯克利分校的計算機科學家們的研究工作。與其他ISA不同的是，RISC-V的設計目的是為了成為一種廣泛應用于各種場合的通用指令集，包括個人電腦、伺服器、嵌入式系統和超級計算機等。同時，RISC-V也提供一個開放式的标準，使得不同的硬體和軟體可以互相相容和互動。自從RISC-V于2010年首次提出以來，它已經成為了計算機科學領域的熱門話題，越來越多的公司群組織開始采用RISC-V來實作他們的計算需求。 人們認為RISC-V能夠替代ARM的關鍵，在于它的開源與免費政策。不過與ARM或X86相比，RISC-V終究還是一個較為“年輕”的指令集架構，在産業鍊、研發工具的配套上總會有不完善的地方。那為什麼廠商會選擇還處在“新手期”的RISC-V？Codasip大中華區總經理胡征宇表示：“雖然RISC-V剛剛起步，但目前很多開源工具和軟體庫都開始支援RISC-V開發，包括編譯器，模拟器以及其它輔助工具，同時市場上也有很多專門針對RISC-V的開發闆和系統級晶片陸續推出。随着RISC-V技術的不斷壯大，其配套工具也将更加完善。”晶心科技董事長林志明也持有相同觀點，他表示在RISC-V生态中廠商在發展配套工具上的意願非常高。“在所謂的不足或不完善的問題上，應該是短期的，随着RISC-V的全球會員衆多，各方加快腳步進行開發，目前這樣不完善或不足的情境，實際上會随着時間而逐漸降低。” 同為精簡指令集，RISC-V要想替代早已成熟的ARM，就要在自己的優勢上發力。翻閱RISC-V規範文檔與教程，我們很容易發現它在簡潔方面相比ARM指令集有較大差別，例如放棄“一次性讀/寫多個寄存器”、“條件碼”等指令，可以更容易提升CPU主頻等。從架構複雜程度看，RISC-V本身也非常簡單，基礎指令集則隻有40多條，加上其他的子產品化擴充指令總共幾十條指令，其規範文檔僅有145頁，而“特權架構文檔”的篇幅也僅為91頁。相比繁瑣複雜的ARM指令集，RISC-V的确做到了簡單易用，不過在更複雜的CPU設計上，這些特性是否會成為短闆呢？ 胡征宇表示：“雖然RISC-V的設計哲學就是簡潔高效，它可以提高程式設計效率、降低功耗和晶片面積及成本。但這并不意味着RISC-V不能滿足複雜CPU的設計需求，相反，公司可以針對各種應用場景進行定制化改良，其中包括針對複雜應用或者需要高算力的場景進行全面優化的定制，這是針對同樣場景的通用電腦件無法具備的優勢。” 我們知道ARM指令集靠ARM公司本身營運維護，是以其指令高度統一，晶片廠在應用ARM IP後僅能做擴充性調整，晶片設計也要圍繞ARM核心來做。RISC-V在這方面相反，開源可以每個廠商都能高度定制适合自身的IP核心，但廠商各自為戰可能帶來新問題，那就是指令集碎片化。碎片化即每個廠商都各自研發不同的指令集，不同産品互不相容，最終導緻生态分裂。目前已經有越來越多的玩家湧入RISC-V賽道，那麼RISC-V又該如何防止碎片化呢？ 愛普特微電子副總經理魯翔的觀點是，RISC-V不需要過分擔心碎片化問題。他指出：“基于RISC-V指令集的CPU核心由于針對的目标市場需求不同，必定存在一定的差異化。但是這些差異化都是可以通過最終落地産品的性能和客戶滿意度來衡量是否值得推廣或者持續演進。通過市場的篩選、最終沉澱下來的一定是聚焦最優方案的實作，是以在同一個市場中不必過分擔心碎片化。目前愛普特基于RISC-V研發量産的32位MCU已經廣泛應用在工業控制、智能家電等領域，通過優異性能獲得了廣大客戶的認可，是以産品性能才是核心重點。” 與碎片化對應的是規範化，RISC-V起步較晚，但在短時間内RISC-V能夠發展到今天的程度，是離不開RISC-V國際協會在規範化上的努力的。對此，林志明表示RISC-V的指令規範化做的很好，尤其是在增加指令方面，RISC-V做的甚至要遠好于ARM。“RISC-V近十年來發展迅速，而且特别是在最近的兩年，每年以三十個左右的速度來新增指令集。RISC-V的更新過程很規範，從予以核準、公告，再變成是open source開放的指令集。這些實際上都是由RISC-V國際協會在上司推動的。是以RISC-V新增指令可以在很短的時間之内完成規範化釋出。”
連橫：RISC-V從概念走向應用
2015年，全球RISC-V基金會成立，宣告RISC-V正式從概念走向現實。2018年7月，上海市經信委在全國率先出台相關RISC-V扶持政策，此後國内産業進入快速演進時期。彼時上海市內建電路行業協會秘書長郭奕武表示，RISC-V具有精簡、低功耗、子產品化、可擴充等技術優勢，近幾年來RISC-V生态體系正在全球範圍内快速崛起，成為半導體産業以及物聯網、邊緣計算等新興應用領域的重要創新焦點。其實郭奕武秘書長在2018年能做出這種判斷确實要有一定魄力。彼時的ARM架構如日中天，公司在被軟銀收購後，2018年孫正義就提出讓ARM在五年内重新上市；在産品方面，骁龍835和845幾乎占領了全部的高端手機市場；應用ARM架構的晶片數量在當年也來到225億顆。 不過僅過了5年，應用RISC-V指令集的晶片已經突破100億顆，俨然已經有了趕超ARM的趨勢。RISC-V會員數量也達到3100個以上，包括谷歌、華為、英偉達、高通、三星、IBM等全球一線廠商均在會員行列。目前，從物聯網到無人駕駛汽車，從嵌入式系統到超級計算機，RISC-V都已經開始在各種應用場景中展示它的優勢，但ARM依然牢牢占據移動端壟斷地位，RISC-V又該如何突破ARM防線？ 魯翔表示：“ARM自己的優勢就是生态。ARM與安卓形成了A-A聯盟，構成了一個龐大、完善、成熟的移動生态，這是RISC-V無法比拟的。不過，最近谷歌在RISC-V 峰會上正式宣布 Android 将支援 RISC-V指令集。也就是說，以後RISC-V的晶片，可以使用安卓系統了。一旦谷歌官方支援，大多數 Android 應用程式，将無需開發人員額外的工作即可運作在RISC-V晶片上。以前考慮到生态問題，RISC-V還無法替代ARM，現在安卓官方支援RISC-V，生态也不需要擔心了，可以說替代ARM的最好時候到了。愛普特目前也正在攜手平頭哥從CPU到SoC、晶片設計、工具鍊、處理器、軟體生态等鍊條，打造RISC-V生态建設。” 随着越來越多玩家的加入，相信它在未來會有更加廣泛的應用場景和發展空間。胡征宇也對RISC-V的未來做出展望：“RISC-V未來将逐漸擴充到更多的應用領域，行業需要更安全高效的處理器用以支援複雜的需求，并通過RISC-V軟體生态系統和系列工具的持續發展來實作技術的不斷突破。”林志明也對RISC-V的應用持樂觀态度，他表示：“RISC-V某些嵌入式的系統方面已經做的要比ARM更好，接下來要克服的技術節點就是安卓、iOS或者是Windows，這些關鍵技術可能都需要三到五年來進行突破。”
劍指：挑戰ARM，RISC-V廠商思路清晰
過去的幾十年中，ARM已經成為了移動裝置、物聯網、汽車、工業自動化等領域的主流指令集。然而，随着計算機應用場景的不斷變化和發展，一些問題也開始顯現，例如ARM的許可費用和閉源限制，這限制了一些公司群組織的應用發展和創新。RISC-V的出現則提供了一個全新的解決方案。僅十幾年，RISC-V完成了從理論到實際，從小衆到廣泛應用的重大突破。但是相對于ARM來說，RISC-V在生态、社群建設以及上下遊支援上仍然存在一些不足之處。 首先，ARM生态系統已經十分成熟，其具有廣泛的應用場景和大量的開發者，是以在一些特定的領域中，尤其是移動領域，ARM仍然具有非常大的優勢。此外，ARM生态系統中也存在着大量的優秀軟體和工具，使得開發者可以更加友善地進行應用開發和優化。 其次，RISC-V生态系統的開發和完善還需要一定的時間。雖然RISC-V社群在不斷發展和創新，但是相對于ARM來說，它的生态系統還不夠成熟，缺乏一些優秀的軟體和工具。是以，在一些特定的場景下，RISC-V的應用可能會受到限制。 最後，RISC-V的生态系統缺乏一些成熟的廠商支援，例如ARM生态系統中的ARM架構授權商、晶片廠商等，這也使得RISC-V在硬體方面的開發和生産還需要進一步發展和完善。 合縱連橫之後，RISC-V又該如何進步來破解ARM的生态封鎖？ 胡征宇認為，RISC-V的改進方方向，軟體生态很重要。軟體生态和硬體生态的發展相輔相成，軟體生态需要完善的内容甚至更多，比如常見的Linux核心、GCC編譯器。除此之外，可能還需要優化虛拟化和語音相關的開源軟體，比如docker、kubernetes，網絡加速方面的軟體棧、AI軟體資料庫等也都需要做特殊的優化和性能調優，需要投入巨大的人力和物力。 在RISC-V普及的過程中，Chiplet技術為中國內建電路産業帶來了諸多發展機遇。晶片在利用先進工藝制造的時候成本較高，世界上也僅有幾家代工廠可以駕馭高端工藝。在産能、成本受限的情況下，将不同工藝節點的顆粒混合封裝是未來的重點發展技術，Chiplet也有望成為破解國外晶片封鎖的法寶之一。魯翔表示：“若能實作Chiplet技術與RISC-V融合，整個行業會向前跨一大步。不過這種方法目前還是會導緻每個節點都變得越來越複雜和昂貴，如果行業想要轉向支援基于Chiplet的內建系統，那不同的公司必須開始互相共享晶片IP。” 林志明認為RISC-V應在開源、商業與教育的角度加大投入力度，他表示：“首先，遵循開放源的做法，就是當初UC Berkeley的開放源的做法。相關廠商接受這樣的開放源生态之後，它所開發的軟體、硬體要能夠回饋到開放源的架構上去，讓RISC-V的生态更加的進步。第二是以合理的利潤的角度進行商業的營運。最後則是加大對RISC-V教育機構或教研機構的投入，以此來擴大使用者。三管齊下，對生态的普及就有很大的幫助。” 總的來說，RISC-V挑戰ARM架構早已不是“鏡花水月”，RISC-V代表着一種全新的計算機架構思路和設計理念，将會對計算機産業帶來積極的影響和推動。我們有理由相信，随着RISC-V生态系統的不斷發展和完善，它将會在未來的計算機領域中發揮越來越重要的作用，成為一個具有廣泛影響力和持續創新力的指令集架構。