RISC-V的中國情緣_風聞

説到x86和ARM，大家可能並不陌生。基於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麼高了。不過在產業界人士眼中，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？一個研發者來自美國的技術生態，又為何與中國情根深種？

欲與x86和ARM試比高：RISC-V到底何方神聖？

説句實話，儘管RISC-V流行已經有不少年頭了，但要説清楚它到底是什麼，可能連產業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。

那麼，RISC-V到底是什麼呢？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是一個基於“精簡指令集（RISC）”原則的開源指令集架構。

劃重點， RISC-V並不是一種處理器或芯片（Implementation），而是指令集規範（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。而作為一套標準規範，它如何被使用來設計芯片級軟件系統，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係分析）

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？得益於其徹底開放的特性。

2010年，伯克利的研究團隊在為新項目選擇指令集的時候，發現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的開發工作，並且決定以BSD（Berkeley Software Distribution）開源協議將其開放。這是一個自由度非常大的協議，使用者幾乎不受任何限制，誰都可以基於RISC-V來設計自己的處理器，並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的，精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Computer-RISC)結構可以降低CPU的複雜性，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開始收穫了自己最重要的籌碼——社區生態。

每一種芯片，想要取得商業上的規模化成績，都離不開生態系統的支撐。比如x86的強大，就源自英特爾多年培養的服務器芯片生態系統。而指令集向上承接軟件，向下規範硬件，作為“中間商”的它自然更需要兩端的生態力量。

伴隨着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生態系統。果不其然，會員數的年增長率超過 100%。

谷歌、高通、IBM、英偉達、NXP、西部數據、Microsemi、中科院計算所、麻省理工學院、華盛頓大學、英國宇航系統公司、華為、特斯拉、三星、日立、希捷、阿里巴巴、聯發科……一個個知名企業與研究機構加入其中。

匯聚了半導體設計公司、系統集成商、設備製造商、軍工企業、科研機構等等產業力量的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用於GPU 內部的控制器；三星也披露將在多種芯片上採納SiFive公司的RISC-V內核，用於5G旗艦手機。

RISC-V 的生態鏈日漸成長和完善，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；巴基斯坦政府也宣佈將RISC-V列為國家級preferred architecture。但要説RISC-V與哪個國家最為密切，中國真的算數一數二。

一方面體現在產業融合度上。

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。2018年7月，上海經信委出台了國內首個支持RISC-V的政策。

有數據顯示，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。而發展至今，已經有不少企業基於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於RISC-V構架的玄鐵910處理器IP核心。

另一方面，則體現在國際輿論的動態上。

比如在貿易戰期間，RISC-V處理器是否涉及美國出口管制條例，就引發了不小的爭論。儘管美國以外的企業（包括歐洲、中國等）自主研製的RISC-V處理器，並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，這種態度顯然與其他美國科技企業拉開了差距。

那麼，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自身的特殊優勢。

開放原始碼指令集並不少見，為什麼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，為了能夠保持向後兼容性，不得不保留許多過時的定義。而RISC-V作為後起之秀，則沒有這些歷史包袱，由於不用向後兼容，所以指令集文檔也相對更短，從而讓開發者更快地上手。

其次，RISC-V的模塊化架構為廠商提供了更高的靈活性，以及定製化生產的前提。RISC-V是第一個被設計成可以根據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的週期和門檻，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）、Real-Time（實時）和Embedded（嵌入式），彼此之間就並不兼容，無法進行定製化設計。

原因之二，則是中國廠商的大力擁抱。

RISC-V在中國的成功，與我國芯片研發受制於人的現狀不無關係。基於開源的RISC-V，做出具有自主知識產權的芯片，培養相應的產業生態，對於中國半導體來説無疑是沙漠中的一股清泉。

尤其是在政治環境不明朗的情況下，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，授權基礎上的產業能否長期穩固，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，而對於ARM等架構來説就很難。

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。

三是萬物互聯的熱土。

如果説前面是中國擁抱RISC-V的理由，那麼RISC-V也對中國這片土壤有着深層的依賴。

我們知道，x86指令集基本上統治了PC市場，而ARM指令集則佔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，則給RISC-V帶來了前所未有的機遇。

一方面，X86和ARM並沒有在這一領域有先發優勢，更談不上一統江湖，這給了RISC-V與其爭雄的前提。另外，物聯網對軟硬件生態系統的要求不像手機那麼高，本身產業鏈短、場景垂直，RISC-V類安卓的碎片化、靈活可配置的特徵，也決定了它更適合在這塊天地裏自由翱翔。

此外，物聯網廠商對於成本更加敏感，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能力的企業加入生態建設的行列中來，開發多樣化的RISC-V設備，以充分的創新來激活整個開發生態圈。

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，都瞄準的是物聯網這個大市場。顯然，當生態建設是由一個國家、整個行業來共同推動時，這種勢能要遠比某個巨頭要強大的多。所以説，RISC-V要高速發展，重視中國也就順理成章。

如果説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，那麼RISC-V與中國產業的擁抱將以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

如膠似漆背後，如何攜手走向未來，對中國相關產業的意義十分重大。

而在此時，我們恐怕需要從“熱戀”的情緒中短暫地脱離出來，去思考一些“成家立業”的現實問題。

首先，RISC-V生態相比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，沒有出現應用範圍廣的案例。

這一方面是源自於基於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，指令集開源並不意味着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要求。顯然，在芯片這塊硬骨頭面前，RISC-V只是幫中國行業走了一小段捷徑，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卻已經在國內展現出營銷造勢過度傾向。將“國外一開源，國內就自主”的老傳統充分發酵，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，從而拖了中國芯的後腿。

此外，每一種架構的產業能用性，都需要百花齊放的產業鏈創新來支撐。而RISC-V賦予各個廠家設計硬件的自由度的同時，也會出現安卓系統一樣，由於設備多樣、向下兼容，而出現標準不一、開發生態破碎的問題。

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。儘管目前很嚴重的碎片化問題還沒有發生，但AIoT網絡的特性決定了這一現象幾乎是不可避免的。

一個強有力的主導廠商，以垂直生態的方式孵化開發者，以標準化來規範大多數程式碼，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台，或許能夠更快驅動產業形成RISC-V創新生態。

最後，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，建立可信任執行環境；以及唯一證書和秘鑰作為信任根，加上安全啓動以及一系列工具等，來共同為系統安全保駕護航。RISC-V的系統指令、特權指令裏沒有安全指令，採用軟件定義域MultiZone，以硬件強化的方式來保障穩定運行。

這種情況下，RISC-V想要藉助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户的信任。

最近RISC-V基金會成立了RISC-V安全常務委員會，圍繞基於RISC-V指令集的物聯網設備、嵌入式系統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年之間的平均複合年增長率將高達146.2％。其中，5G手機、通訊、工業等細分市場，將為佈局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，中國半導體企業已經發展到了一個新的台階，擁有了向更高產業天花板衝擊的自信與潛力。除了RISC-V之外，龍芯、MIPS等開源架構也在產業獨立自主的備選名單裏。

這一場頂層架構爭奪戰，到底會延展出怎樣繁盛的細節，值得我們持續關注。