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說到 x86 和 ARM，大家可能并不陌生。基于 x86 的英特爾與 AMD 幾乎制霸 PC 端芯片，ARM 架構也開始在麒麟、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體廠商喜愛的架構 RISC-V，大眾層面的認知度可能就沒那么高了。不過在產業(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，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 流行已經有不少年頭了，但要說清楚它到底是什么，可能連產業(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。
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。
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 中指導它如何進行運算。而作為一套標準規(guī)范，它如何被使用來設計芯片級軟件系統(tǒng)，幫助 CPU 更高效地運行，那就廠商們自憑本事了。
（指令集、微架構設計和產品之間的關系分析）
其次，RISC-V 能夠異軍突起，與其“為開源而生”的特質是分不開的。
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)當前的許多指令集都存在知識產權限制，X86 被英特爾封閉使用、ARM 則收取高昂的授權費用，所以決定從零開始設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 來設計自己的處理器，并且不需要支付授權費用。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想被開發(fā)的，精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Computer-RISC)結構可以降低 CPU 的復雜性，允許在同樣的工藝水平下生產出功能更強大的 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)?；煽儯茧x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 指令集在技術上面的成熟，加州大學伯克利分校在 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、麻省理工學院、華盛頓大學、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)與研究機構加入其中。
匯聚了半導體設計公司、系統(tǒng)集成商、設備制造商、軍工企業(yè)、科研機構等等產業(yè)力量的 RISC-V，工具鏈、應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 設計；英偉達也將把 RISC-V 用于 GPU 內部的控制器；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，RISC-V 自然也得到了渴盼半導體產業(yè)的政府的重度支持。
比如印度政府資助的處理器相關項目都開始向 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的 20 多個國內企事業(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，上海經信委出臺了國內首個支持 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注或以 RISC-V 指令集進行開發(fā)。而發(fā)展至今，已經有不少企業(yè)基于 RISC-V 構建了開源芯片關鍵技術，推出了相關產品，比如平頭哥半導體推出的基于 RISC-V 構架的玄鐵 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 產生了化學反應，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，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 的模塊化架構為廠商提供了更高的靈活性，以及定制化生產的前提。RISC-V 是第一個被設計成可以根據(jù)具體場景可以選擇恰當指令集的架構，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)一的架構滿足各種不同的應用需求。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 架構中的 Application（應用操作系統(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)狀不無關系?；陂_源的 RISC-V，做出具有自主知識產權的芯片，培養(yǎng)相應的產業(yè)生態(tài)，對于中國半導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%以上的服務器芯片市場都建立在英特爾的 x86 架構上，而 ARM 已經被日本軟銀收購，雖然可以買到 IP 授權，但缺少了設計 CPU 的核心能力，授權基礎上的產業(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。
除了政策上的風險之外，中國如火如荼的人工智能建設，也進一步驅使國內廠商擁抱 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，對架構的靈活性要求也更高，需要不斷根據(jù)市場和技術的變化來進行調整。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費用，可以激活更多不具備自主設計 SoC 能力的企業(yè)加入生態(tài)建設的行列中來，開發(fā)多樣化的 RISC-V 設備，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，都瞄準的是物聯(lián)網(wǎng)這個大市場。顯然，當生態(tài)建設是由一個國家、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 和服務器，ARM+安卓爭奪的是智能手機的江山，那么 RISC-V 與中國產業(yè)的擁抱將以 AIoT 為粘合劑，長久纏綿。
下一站冒險島：RISC-V 與中國的半導體遠望
如膠似漆背后，如何攜手走向未來，對中國相關產業(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，目前主要應用在相對中低端的產品上，在高性能服務器 CPU、GPU 上，沒有出現(xiàn)應用范圍廣的案例。
這一方面是源自于基于 RISC-V 芯片的相應軟件、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，這對芯片公司提出了不小的設計和研發(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，在前瞻技術尚未攻破的前提下，RISC-V 卻已經在國內展現(xiàn)出營銷造勢過度傾向。將“國外一開源，國內就自主”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，標榜自主可控。比如在國內大肆宣揚“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 及相關產品的可信度，從而拖了中國芯的后腿。
此外，每一種架構的產業(yè)能用性，都需要百花齊放的產業(yè)鏈創(chuàng)新來支撐。而 RISC-V 賦予各個廠家設計硬件的自由度的同時，也會出現(xiàn)安卓系統(tǒng)一樣，由于設備多樣、向下兼容，而出現(xiàn)標準不一、開發(fā)生態(tài)破碎的問題。
這樣很可能產生，實際應用時不同芯片廠商的 RISC-V 架構處理器無法適配同一軟件的情況。盡管目前很嚴重的碎片化問題還沒有發(fā)生，但 AIoT 網(wǎng)絡的特性決定了這一現(xiàn)象幾乎是不可避免的。
一個強有力的主導廠商，以垂直生態(tài)的方式孵化開發(fā)者，以標準化來規(guī)范大多數(shù)程式碼，同時為不干擾核心的應用擴展留出空間，建立相關應用市場等基礎平臺，或許能夠更快驅動產業(yè)形成 RISC-V 創(chuàng)新生態(tài)。
最后，RISC-V 核心應用場景 IoT 的安全問題也必須開始交付完整的產業(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 安全常務委員會，圍繞基于 RISC-V 指令集的物聯(lián)網(wǎng)設備、嵌入式系統(tǒng)和機器學習等討論安全改進方案。中國方面會如何反應，拭目以待。
（RISC-V?CPU 的增長趨勢及主要應用市場）
分析機構 Semico Research 在《RISC-V 市場分析：新興市場》的報告中指出，預計到 2025 年，市場將總共消費 624 億個 RISC-V CPU 內核。RISC-V CPU 內核從 2018 年至 2025 年之間的平均復合年增長率將高達 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，中國半導體企業(yè)已經發(fā)展到了一個新的臺階，擁有了向更高產業(yè)天花板沖擊的自信與潛力。除了 RISC-V 之外，龍芯、MIPS 等開源架構也在產業(yè)獨立自主的備選名單里。
這一場頂層架構爭奪戰(zhàn)，到底會延展出怎樣繁盛的細節(jié)，值得我們持續(xù)關注。
