挑戰X86、ARM架構，RISC-V能否成為中國物聯網時代趕超歐美的希望

轉自億歐網

芯片行業落後三四十年的中國，能否借RISC-V發展契機直擊行業“金字塔尖”，絕地求生。

近日，由海淀區政府、北京市科委、北京微芯邊緣計算研究院共同發起，中關村科學城開源芯片源碼創新中心成立。創新中心將推動芯片設計領域全球標準創建，建設國際開源平台，提升我國芯片設計硬實力和自主可控核心能力。

眾所周知，芯片的架構設計一直被譽為芯片行業的“金字塔尖”，難度巨大，且一直被國外壟斷。

此次，中關村科學城開源芯片源碼創新中心的成立，旨在搶抓RISC-V芯片生態發展機遇期，構建RISC-V芯片創新生態，打造我國自己的芯片和架構。

多年來，由ARM公司主導的ARM架構、與英特爾主導的X86架構是全球芯片領域的主流架構。隨着人工智能等前沿科技發展，這些老牌的主流架構開始面臨眾多挑戰，不少科技巨頭紛紛轉向RISC-V架構。RISC-V因其靈活、精簡、開源等特性，成為全球芯片領域備受關注的架構，也被視為中國芯的“新機遇”。

全球芯片領域主流架構“兩極爭霸”的局面或許將會變為“三足鼎立”的新篇章。

RISC-V突圍的故事，還是要從兩大巨頭如何形成開始説起。

初代芯片王朝的崛起

學過半導體的人都知道一句話，**CPU的發展史簡單來説就是Intel公司的發展歷史。**從1971年，Intel推出了世界上第一款微處理器至今，CPU的發展已經有近五十多年的歷史。而Intel在CPU發展前進的每一步上都留下了濃墨重彩的一筆。

1968年，戈登·摩爾和羅伯特·諾伊斯在硅谷創辦了Intel公司。戈登·摩爾，正是大家所熟知的“摩爾定律”的提出者。

1971年，世界上第一塊微處理器4004在Intel公司誕生了，片內集成了2250個晶體管，晶體管之間的距離是10微米，能夠處理4bit的數據，每秒運算6萬次，頻率為108KHZ，前端總線為0.74MHz （4bit）。

沒有微處理器，個人計算機就不可能出現，而沒有個人計算機，就不可能有後來的互聯網革命。可以説，微處理器的出現，改變了整個世界。

1978年6月8日，Intel生產出了世界上第一款16位的微處理器並命名為“i8086”。

i8086的出現也同時開創了一個新時代：X86架構誕生了，它定義了芯片的基本使用規則。

X86架構指的是CPU執行的一些計算機語言指令集，由於Intel從8086開始，此後升級的每一代芯片（例如80186、80286等）都用的同一種CPU架構，所以人們將這些指令集統一稱之為X86指令集，也就是所説的X86架構。

1981年使用X86架構的8088芯片首次用於IBM PC機中，開創了全新的微機時代，也就是大家熟知的個人PC時代。

1993年，Intel推出了奔騰處理器Pentium。Pentium是x86系列一大革新。其中晶體管數大幅提高、增強了浮點運算功能、並把十年未變的工作電壓降至3.3V。這樣不僅可以大幅減少功耗，也讓性能有了新的突破。

奔騰處理器的誕生，讓Intel公司甩掉了只會做低性能處理器的帽子，其運行速度達到工作站處理器的水平。Intel一舉超過所有日本半導體公司，坐上了半導體行業的頭把交椅。

此後，以Intel、AMD等公司為代表的X86架構芯片遍橫掃世界，統治了個人PC與服務器時代，書寫着王朝的史詩。

王朝演替，各據半壁江山

技術決定能否提供需求，而需求也決定了技術發展的方向。

隨着移動互聯網時代的到來，人們對電腦等大型設備需求降低，對手機等移動設備需求顯著提升，在這個需求變革契機，另一巨頭ARM顯現出來，開啓了自己的傳奇。

1981年，電子設備設計和製造公司Acorn迎來了一個難得的機遇，英國廣播公司BBC打算在整個英國播放一套提高電腦普及水平的節目，他們希望Acorn公司能生產一款與之配套的電腦。

接下這個任務之後，Acorn公司就開始幹了起來。很快他們就發現，自己產品的硬件設計並不能滿足需求。當時CPU的發展潮流，正在從8位變成16位，性能正在大幅提升。Acorn自己並不能製造生產芯片，他們只能去尋找其他廠商合適的芯片。

一開始，他們打算使用美國國家半導體和摩托羅拉公司的16位芯片。但是，經過評估後，他們發現了兩個缺陷：第一，芯片的執行速度有點慢，中斷的響應時間太長。第二，售價太貴，一台500英鎊的電腦，處理器芯片就佔到100英鎊。

於是他們打算去找當時如日中天的Intel，希望對方提供當時代表最先進技術的80286處理器的設計資料和樣品，但是，卻遭到了拒絕。無奈下Acorn公司只能自己造芯片。

經過多年的奮鬥，Acorn最終完成了CPU的設計。對於這塊芯片，**Acorn給它命名為Acorn RISC Machine。這也就是這就是大名鼎鼎的“ARM”三個字母的由來。**後來的ARM架構，指的也是設計這款芯片時採用的架構。

1985年，Acorn研發出來的第一款處理器芯片的型號，被定為 ARM1。但是，就在同一年，1985年10月，英特爾發佈了80386。在80386面前，ARM1顯得弱小不堪。在ARM1之後，Acorn陸續推出了好幾個系列，例如ARM2，ARM3。

1990年，Acorn公司正式改組為ARM計算機公司——Advanced RISC Machines（雖然縮寫相同，但ARM芯片是Acorn RISC Machine的縮寫）。ARM公司是Acorn、蘋果、諾基亞、VLSI、Technology等公司的合資企業。

雖然Intel持續邁向X86高效能設計，而ARM則專注於低成本、低功耗的研發方向。兩者看似有着不同的方向，但在Intel強大的統治下，ARM並不好過。

在這個情況下，ARM決定改變他們的產品策略，他們不再生產芯片，轉而以IP授權的商業模式，將芯片設計方案轉讓給其他公司。簡單來説就是，ARM不再像Intel一樣，一顆芯片的設計、製作、封裝都由自己來完成，它相當於出售自己的“設計圖紙”，剩下的由購買方自己去完成。

沒想到正是這種模式，開創了屬於ARM的全新時代。

1991年，ARM將產品授權給英國GEC Plessey半導體公司。

1993年，ARM將產品授權給Cirrus Logic和德州儀器（Texas Instruments，TI）。

與德州儀器的合作，給ARM公司帶來了重要的突破。而且，也給ARM公司樹立了聲譽，證實了授權模式的可行性。

此後，越來越多的公司參與到這種授權模式中，與ARM建立了合作關係。其中就包括三星、夏普等公司。

因為手機不需要像電腦那樣強大的性能，它們更需要便捷性與低功耗，所以手機廠商不需要X86架構那樣強大的性能，因此大量使用ARM架構去設計，隨着移動手機井噴式的增長，ARM架構也隨之水漲船高。

2007年，真正的劃時代產品出現了。那就是iPhone。

蘋果iPhone的出現，徹底顛覆了移動電話的設計，開啓了全新的時代。第一代iPhone，使用了ARM設計、三星製造的芯片。

iphone的熱銷，App Store的迅速崛起，讓全球移動應用徹底綁定在ARM指令集上。緊接着，2008年，谷歌推出了Android（安卓）系統，也是基於ARM指令集。

至此，智能手機進入了飛速發展階段，ARM也因此奠定了在智能手機市場的霸主地位。

2011年，就連傳統Wintel聯盟（windows+intel）的微軟，也宣佈Windows8平台將正式支持ARM架構處理器。這是計算機工業發展歷史上的一件大事，標誌着X86架構處理器的主導地位發生動搖，也標誌着ARM架構處理器正式成為另一新的巨頭。

巨頭弊端顯現，夾縫中殺出的RISC-V

兩大巨頭，一個演繹着PC時代的神話，一個在移動互聯網時代稱霸。兩種不同架構各有側重。可以説是優勢互補、無法替代的關係。

而在下一個時代，物聯網的時代，他們是否還能繼續穩穩坐在第一的位置上？

CISC(複雜指令集)和RISC(精簡指令集)是當前CPU的兩種架構分別採用的指令集。X86架構採用CISC，ARM架構採用RISC。

從性能上看，X86架構的芯片，無論如何都比ARM架構的芯片在更快、更強。

X86架構的CPU運行起來，隨便就是1G以上的運行內存，並可以採用雙核、四核等模式來加強性能，通常使用45nm（甚至更高級）製程的工藝進行生產。而ARM架構方面：CPU通常是幾百兆的運行內存，最近才出現1G左右的CPU，製程通常使用不到65nm製程的工藝。

可以説，在性能和生產工藝方面ARM架構根本不是X86架構的對手。

但ARM架構的優勢不在於性能強大而在於效率，ARM架構採用RISC流水線指令集，在完成綜合性工作方面處於劣勢，但在一些任務相對固定的應用場合其優勢就能發揮得淋漓盡致。

從拓展能力來看，X86架構的設備採用“橋”的方式與擴展設備，如硬盤、內存等，進行連接，而且X86架構的設備出現了近30年，其配套擴展的設備種類多、價格也比較便宜，所以X86架構的電腦能很容易進行性能擴展，如增加內存、硬盤等。

ARM架構的設備是通過專用的數據接口使CPU與數據存儲設備進行連接，所以ARM的存儲、內存等性能擴展難以進行，一般在產品設計時已經定好其內存及數據存儲的容量，所以採用ARM架構的系統，一般不考慮擴展。基本奉行“夠用就好””的原則。

從功耗來看，高功耗導致了一系列X86架構無法解決的問題出現：系統的續航能力弱、體積無法縮小、穩定性差、對使用環境要求高等問題。從這裏我們可以發現X86架構與ARM架構是在兩個完全不同領域方面的應用，它們之間根本不存在替換性。

在服務器、工作站以及其他高性能運算等應用方面，可以不考慮功耗和使用環境等條件，這時X86架構佔了優絕對優勢；但受功耗、環境等條件制約且工作任務固定的情況下ARM架構就佔有很大的優勢，在手持式移動終端領域，X86架構的功耗更使其毫無用武之地。

相比於X86架構和ARM架構，RISC-V架構顯得有點名不見經傳。

RISC-V，一般念做：riskfive。V，就是羅馬數字5。

很多人提到RISC-V，都會説它是開源芯片。其實這種説法不是很準確。準確來説，RISC-V是一個基於“RISC（精簡指令集）”原則的開源指令集架構，是RISC架構的子集。

既然是RISC架構的子集，那麼它為什麼敢挑戰兩大架構的地位？

其實這與芯片行業目前的格局與發展方向有關。

現如今，隨着5G、物聯網、人工智能等技術的蓬勃發展，越來越多的企業希望生產和製造服務於各個垂直行業的終端和模組。

但X86架構一直是Intel和AMD兩家公司掌握的封閉性技術，沒有明確的知識產權授權模式。而ARM架構則需要上億高昂的授權費用。這都使得中小企業、創新企業望而卻步。

這時，RISC-V出現在了人們的視野。RISC-V基於小型、快速、低功耗等現實情況設計，而且其設計者也並沒有對特定的微架構進行過度的設計，恰巧可以滿足物聯網時代傳感器：低性能，結構簡單，低功耗的需求。

突圍成功還是失敗

RISC-V的眾多優點是可以看得到的，RISC-V架構採用的開源方式，其指令集可以自由地用於任何目的，允許任何人設計、製造和銷售RISC-V芯片和軟件而不必支付給任何公司專利費。

雖然這不是第一個開源指令集，但它具有重要的意義：RISC-V的設計可以完全適用於現代計算設備（如倉庫規模雲計算機、高端移動電話和微小嵌入式系統）；設計者考慮了不同用途的性能與功率效率；RISC-V還擁有眾多支持軟件，這解決了新指令集通常的弱點。

中國工程院院士倪光南多次在公開演講中表示，RISC-V的優勢，在於其包含了CPU發展過程中優秀的創新點，在技術上非常完備。因為“年輕”，它不僅非常精簡，而且沒有所謂的“歷史包袱”。比如，一個技術手冊，由於ARM和英特爾都需要與自己的上一代產品兼容，可能需要2000多頁，而RISC-V卻只需要幾百頁。

但倪光南院士也給出幾點警示，對於移動端和 PC 端市場而言，RISC-V 的生態遠未成熟到與英特爾、ARM 等“王朝元老”相匹敵的地步。

首先RISC-V架構開源規則本身有一定的侷限性。RISC-V強調完全開源的設計，並且讓取用者可任意加上專屬指令集，甚至可以自由選擇將架構封閉還是維持開源。這樣就導致了 RISC-V架構可能出現，雖然擁有更多的指令集，卻無法共用的問題。

當各個公司做出具有本身公司特色的芯片時，如果他們選擇將自己的專屬指令集保密，那麼若干年後，很可能出現芯片互不兼容的情況，而這樣的碎片化問題往往是不利於產業發展的。

就像Android（安卓）系統本身是一個開源的系統，但經過華為、小米、OPPO等廠商各自開發成自己的系統之後，就變得不在互相兼容了，這也是RISC-V架構開源規則本身的侷限性。

此外，**RISC-V架構生態欠缺。**目前，英特爾推動的x86架構市場依舊龐大，幾乎從傳統PC 到數據中心規模的服務器都在使用基於x86架構的處理器，同時相關軟件帶動的應用服務也有長達40年的優化發展歷史。

對於ARM架構已產生的龐大市場應用規模，RISC-V架構更加難以取代，而且ARM的IP授權模式已經趨於完善，儘管授權費用高昂，但各大廠商依舊樂此不疲，例如我國華為海思、展訊、中興、全志等芯片皆是採用ARM架構。

雖然RISC-V架構剛剛起步，還面臨着眾多不確定性，但從1958年集成電路發明以來，我們也看到了整個產業發生了多次的變遷，無論是市場的轉變，還是技術的創新，行業一直在帶給我們驚喜。

RISC-V架構具有簡單和靈活的特性，非常適合部署到物聯網、控制器、數據中心的專用芯片和邊緣計算等應用場景，具有廣大前景。未來，希望具備“得天獨厚”優勢的 RISC-V能隨着我國物聯網的先發優勢而大放異彩，成為趕超歐美的新動力。