中國芯片業全力押注的賽道,突然獲得谷歌高通力挺

【文/觀察者網 呂棟】
歲末年初,多家科技巨頭的動作,讓開放指令集標準RISC-V再度引發國內外科技圈關注。
在中國,剛剛過去的12月,騰訊追隨阿里、華為、中興等企業的步伐加入RISC-V國際基金會,中科院聯合平頭哥、芯來科技、賽昉科技等推出了RISC-V操作系統“傲來2.0-RV”。
如果説中國、俄羅斯、印度等國企業投入RISC-V有自主可控的考慮,那歐美企業轉向RISC-V,對這個新興指令集的崛起則更具有標誌性意義。
在剛剛過去的RISC-V峯會2022上,谷歌旗下安卓操作系統(Android)表示,希望RISC-V能和ARM平起平坐,成為安卓支持的一級平台(tier-1 platform);高通的表態更激進,稱自2019年驍龍865開始,CPU戰略和路線圖就已轉向RISC-V。
眾所周知,自移動互聯網時代開啓以來,安卓和ARM一同築起了移動終端領域的“AA”生態體系,如今安卓為何會“一心二用”主動示好RISC-V?高通更是依靠ARM授權,成為高端移動處理器領域的領頭羊,為何現在又要堅決力挺RISC-V?
對於廣大消費者來説,更關心的是,RISC-V這種指令集有沒有地緣政治風險,會不會被卡脖子?未來有沒有可能打破舊有的生態秩序,和X86、ARM三分天下,甚至取而代之?

國外科技媒體報道截圖
“賺不了大錢”的ARM,要掘高通的根?
在講述一切事情之前,首先要釐清什麼是指令集。
所謂指令,就是指示處理器芯片執行某種運算、處理功能的命令,所有指令的集合就被稱作指令集,通常所説的X86、ARM、RISC-V、MIPS、LoongArch及SW64都是不同的指令集標準。
用通俗易懂的話來説,指令集標準類似語法規則,根據不同的語法規則可以寫出不同的文章,根據不同的指令集標準也就可以設計出不同的處理器微架構和芯片。作為一種規範,指令集標準往往用一本書或幾張紙來記錄描述,而處理器實現是基於指令集規範完成的源代碼。
從芯片設計上看,指令集標準相對沒有那麼重要,芯片設計業者的核心能力還是根據指令集進行微架構和核心設計,而微架構決定着芯片的性能、功耗和麪積(PPA)。但在軟件層面,指令集對軟件生態又非常重要,決定着軟件研發投入的效率。

2022年12月28日,中科院計算所研究員包雲崗在北京微電子國際研討會暨IC WORLD大會上的報告
自1978年6月英特爾發佈16位微處理器“8086”算起,X86指令集已有45年的發展歷史,如今X86在PC和服務器領域佔據主導地位;ARM指令集同樣歷史悠久,從1985年ARM V1指令集算起,距今也有近40年的歷史,目前ARM指令集在移動終端芯片領域具有絕對優勢。
近些年,隨着地緣政治局勢持續緊張,以及X86指令集的擁有者英特爾自己的主要業務就是X86處理器,追求自主可控的廠商基本不會首先考慮X86指令集。
ARM指令集和X86一樣,屬於企業私有,不過ARM總部位於歐洲,而且ARM自身不做芯片,而是專門通過授權的方式幫助其他芯片設計公司進行開發,這種開放模式也幫助ARM在移動互聯網時代大放異彩。
但如今高通、谷歌等公司的態度轉向表明,即便以前的“美國鐵桿盟友”,也不再把籌碼全部放在ARM身上,説白了就是不再完全信任ARM。這其中有什麼箇中緣由?

(資料圖)
地緣政治應該不是主要因素,畢竟ARM總部位於英國劍橋,即便被軟銀收購,控制權也處於日本手中,這些國家都是美國的盟友,應該不會去卡美國企業的脖子,所以關鍵原因應該還是商業考慮。
首先,ARM指令集為私人企業所有,和ARM的興衰掛鈎,如果把資源全部壓在ARM指令集身上,一旦ARM衰落,指令集也可能不再有競爭力。歷史上這樣的例子屢見不鮮,例如Alpha指令集隨着DEC被收購而消失,SPARC指令集隨着SUN公司沒落而無人問津,MIPS指令集隨着MIPS公司的顛沛流離而失去主流地位。
第二,ARM近兩年再度陷入“賣身”的動盪中。2020年,軟銀宣佈以400億美元的價格把ARM賣給英偉達,但折騰兩年之後,這筆出售未能通過各國的反壟斷調查而最終告吹。但很快,持續鉅額虧損的軟銀又啓動了ARM的IPO進程。而在此過程中,ARM中國又爆發了“奪權風波”,也外界吃瓜的同時擔心ARM的穩定。
第三,也是最關鍵的原因,就是ARM可能不會再像以前那麼開放。前面提到,ARM能在移動芯片領域表現出色,主要受益於其開放的授權模式。用ARM創始人的話來説,就是“可以將技術賣給所有人”。但這樣的商業模式雖可以搶佔市場份額,卻並沒有讓ARM賺到太多錢。
2021年,這家掌握全球智能手機產業命脈的公司,營收同比增長35%,但只有27億美元,上游客户蘋果則有數千億美元。雪上加霜的是,美國限制ARM對華出售先進CPU設計IP,這無疑會壓低ARM的營收。2021年,ARM中國合資企業約佔總收入的20%,即5.4億美元。
眼下,孫正義一心推動ARM重新上市,但想要高估值自然需要亮眼的財報和誘人的商業模式,在中國市場受限的情況下,ARM動起了改變授權模式的心思。
瞭解消費電子行業的都知道,目前包括高通、三星和聯發科在內的手機處理器廠商,在SoC芯片中採用的是ARM研發的公版CPU架構,而在GPU中,高通自研了Adreno GPU,聯發科採用的是Imagination GPU,三星採用的則是AMD的GPU,也由此形成了各自的差異化性能。

高通處理器發佈會
而根據高通兩個月前的爆料,在2024年之後,高通和其他半導體設計企業可能將無法向OEM客户提供ARM公版CPU外的其他自研SoC組件,因為ARM計劃將GPU、NPU、ISP等組件和CPU進行“捆綁銷售”。此事如果屬實,意味着高通等廠商要麼採用全ARM架構芯片,要麼自研CPU內核。前一種方案會導致廠商間的差異化減弱,後一種方案則會大幅增加研發難度。
這還不是最要命的。國外分析機構SemiAnalysis援引的高通起訴書顯示,從2025年起高通將無法繼續提供ARM架構的芯片,因為高通的ARM許可證協議將在2024年終止,ARM不會延長這份協議,也不會允許高通從2025年開始繼續提供ARM架構產品。
儘管高通是從其他信源得知ARM這一系列説辭的,但高通聽到這個能不急嗎?有科技媒體直言,這簡直是在掘高通的根,畢竟圍繞智能手機的相關業務是高通營收的半壁江山。
在高通的爆料引發軒然大波後,ARM出面表示高通的説法“充滿了不準確之處”。而就在高通起訴ARM之前,ARM率先起訴了高通和高通收購的Nuvia,指控兩者違反許可協議並侵犯商標權。此外,ARM還試圖通過起訴,迫使高通銷燬根據Nuvia與ARM授權協議開發的設計。
不管二者之間的恩怨真相如何,這一系列爭議無疑堅定了高通不再把“雞蛋全部放在一個籃子裏”的決心。在近期的RISC-V峯會2022上,高通產品管理總監Manju Varma透露,高通已在PC、移動設備、可穿戴設備、聯網汽車,以及AR/VR頭顯的SoC中使用RISC-V架構的微控制器,迄今為止已出貨超過6.5億個RISC-V內核,成為“RISC-V實施的領導者之一”。
不同於ARM和高通間的供應商客户關係,安卓(Android)和ARM之間是移動終端領域的軟硬件盟友關係(AA體系),就像英特爾和微軟在PC領域形成的Wintel聯盟。
在RISC-V峯會2022上,安卓工程總監Lars Bergstrom表示,希望RISC-V成為安卓支持的一級平台(tier-1 platform),這意味着在安卓眼中,RISC-V將和ARM平起平坐。而這應該和恩怨無關,更可能是由於RISC-V的影響力正日益增長。
不只是安卓想適配RISC-V,RISC-V硬件也在主動適配安卓。在前述峯會上,基於阿里平頭哥RISC-V SoC原型曳影1520,在安卓12(AOSP)上成功運行多媒體、3D渲染、AI識物等場景及功能。
中國工程院院士倪光南曾斷言,RISC-V未來有望和X86、ARM在CPU領域三分天下。但RISC-V未來真的能改變半導體行業的遊戲規則嗎?
發展勢頭迅猛,但挑戰X86和ARM仍任重道遠
與有數十年曆史的X86和ARM不同,2010年誕生於美國伯克利大學的RISC-V,還很年輕。
相比X86、ARM,RISC-V的最大特點是開源開放,相關源代碼和文檔免費公開,不被任何企業私有,但這並不意味着具體的處理器實現也都是開源免費的。基於RISC-V指令集規範,既可以由開源社區來開發開源免費版的處理器實現,也可以有商業公司開發收費授權版的處理器實現。2015年,負責管理運營RISC-V的非盈利組織“RISC-V基金會”成立,並於2019年遷址瑞士,成立了RISC-V國際基金會。

指令集、微架構設計和產品之間的關係分析(資料圖)
由於X86和ARM被歐美主導掌控,開放的指令集標準RISC-V也成為追求自主可控的國家的重要選擇。
中國就是RISC-V產業的主要推動者之一,目前在RISC-V國際基金會高級會員中,超過一半來自中國,包括阿里巴巴、華為、成為資本、中科院、中興通訊、騰訊等公司和機構,同時也有大量中國企業已基於RISC-V推出了芯片產品。

中國之外,印度和被西方持續制裁的俄羅斯也在押注RISC-V。
去年,印度電子和信息技術部以高級會員身份加入RISC-V國際基金會,目標是基於RISC-V自主研發微處理器,並在2023年12月前實現流片。俄羅斯也宣佈將為RISC-V處理器開發提供大量資金支持,並將此視為當務之急,“因為X86和ARM對俄羅斯來説,都存在不確定性和被歐美製裁的風險”。
但由於研發力量和投入資源的不同,目前能在RISC-V領域和中國並駕齊驅的還是歐美。
高通、谷歌、英特爾、希捷等美國企業都是RISC-V基金會的高級會員,蘋果、Meta等大公司也在RISC-V領域有所動作。歐洲同樣想減輕對X86和ARM的依賴,歐盟近期宣佈投入2.7億歐元,資助一個旨在構建基於RISC-V軟硬件的高性能計算機項目。

在眾多國家和企業的推動下,RISC-V也發展迅速。根據RISC-V國際基金會透露的數據,今年該基金會的會員數量同比增長超過26%,在70個國家/地區擁有超過3180名會員。如今,市場上已有超過100億個RISC-V核心,2025年RISC-V架構芯片有望突破800億顆。
但從近些年的進度來看,由於發展時間相對較短,RISC-V處理器核心一般會在性能與X86、ARM存在差距。直到2022年8月,阿里推出的SoC平台無劍600,才將RISC-V量產處理器的主頻從1GHz時代帶入2GHz時代,而2GHz主頻的RISC-V CPU與ARM在2016年推出的性能核Cortex-A73相當。
不過,RISC-V陣營正迅速縮小差距。2022年11月,美國公司SiFive推出5nm製程的RISC-V處理器P670,主頻最高可達3.4GHz,性能對標ARM在2020年推出的Cortex-A78,面積功耗相較A78還有一定優勢。而在RISC-V峯會2022上,美國公司Ventana發佈服務器級RISC-V核心Veyron V1,主頻可達3.6GHz。
迅猛的發展也讓RISC-V有了挑戰舊有秩序的自信。去年6月,RISC-V國際基金會CEO雷德蒙德在採訪中直言,RISC-V可能不會對X86構成生存風險,但ARM最好注意一下,因為RISC-V計劃在5年內完成ARM花了20年才取得的進展。
目前來看,RISC-V短時間內確實不會對X86造成威脅。
一方面,X86在全球PC處理器領域仍佔據接近90%的市場份額,在服務器CPU領域的市場份額也超過90%,圍繞X86已經形成龐大的應用生態體系鏈路;另一方面,X86是一種複雜指令集(CISC),ARM和RISC-V是精簡指令集(RISC),這兩種指令集分別適用於對功耗比要求不同的領域,多年來已經形成涇渭分明的市場劃分,比如X86集中在PC和數據中心,而ARM集中在移動和物聯網領域。
但即便對標ARM,RISC-V仍有很長的路要走。
2021年,ARM芯片出貨量高達292億顆,比RISC-V誕生以來的累計出貨量還多。作為IP龍頭,2019年ARM在移動處理器和物聯網處理器市場就已佔據90%的市場份額,還計劃在2028年佔據65%的網絡設備市場、90%的車載信息娛樂和駕駛員輔助市場,以及25%的數據中心市場。
從近期一些專家和業內人士的觀點來看,RISC-V目前可能處在2000年-2005年的ARM發展階段。
截至2022年末,中國大約有50款不同型號的國產RISC-V芯片量產,應用場景集中在MCU、電源管理、無線連接、存儲控制、物聯網等中低端場景,雖然技術落地已度過初級階段,但在國內產業化和商業化之路上,仍面臨不少“攔路虎”。

中科院推出開源高性能RISC-V處理器“香山”系列
由於誕生時間較短,RISC-V在中國本土市場,相關編譯器、開發工具和軟件開發環境及其他生態要素還在建設當中。此外,RISC-V早期發展大多在國外,因此國際協作至為關鍵。要讓RISC-V持續良性向前發展,顯然還需要更多生態夥伴的參與和配合,如何構建一個可持續的生態是擺在RISC-V面前的一道核心考題。
一些業內人士指出,雖然大企業做RISC-V芯片的很多,但是基本上都是把RISC-V當做備選,小企業搭便車的更多,而全力押注做RISC-V的小企業又很難產生影響力,開源的結果就是過度分散,這在一定程度上拖慢了RISC-V生態的完善,導致在軟件、工具鏈、人才和知識產權上還與主流架構存在差距。
“RISC-V產業化目前的難度還是在於沒有找到明確的市場切入點,也就是‘殺手級’應用場景。”北京開源芯片研究院助理院長唐丹指出,在移動端生態出現的前幾十年,ARM的發展也較為緩慢。目前,RISC-V在軟件生態鏈較短的IoT應用場景,特別是需要根據應用場景定製的市場,已經有廣泛的應用,但一個生態真正成熟還是要靠高端生態牽引。
但在倪光南等院士看來,RISC-V的確為中國掌握世界主流芯片的產業主動權提供了新機遇。藉助於開源開放的RISC-V指令集,擁有芯片微架構設計能力的企業都可以進行芯片開發,不會受政治因素制約。