RISC-V終露鋒芒？打破計算架構“雙寡頭”競爭格局

前言

計算機系統的核心是處理器，它負責執行程序中的指令。為了能夠讓處理器理解并執行這些指令，需要有一套規范，這就是指令集架構（Instruction Set Architecture，ISA）。在計算機歷史的發(fā)展過(guò)程中，處理器設計出現了兩種主要的指令集架構：復雜指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。指令集可以理解為計算機系統中軟件和硬件交互的規范標準，即軟硬件溝通的“橋梁”。

CISC指令集提供了豐富的指令，減少了程序員的編程工作量，然而較為復雜。隨著(zhù)計算機科學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現這種復雜性會(huì )導致處理器的性能和能效下降。20世紀80年代初，加州大學(xué)伯克利分校的David Patterson、斯坦福大學(xué)的John L. Hennessy等學(xué)者開(kāi)始嘗試對傳統的CISC進(jìn)行精簡(jiǎn)， RISC便由此誕生，信息技術(shù)史上浩浩蕩蕩的CISC與RISC之爭拉開(kāi)帷幕。

RISC-V有何不同？

2010年，加州大學(xué)伯克利分校的科研團隊在調研了x86、ARM等現有指令集后，得出主流指令集存在知識產(chǎn)權限制、指令集架構復雜的結論，于是該團隊從零開(kāi)始，設計了一套全新的指令集。就在這樣的背景下，RISC-V（即第五代精簡(jiǎn)指令集計算機）作為開(kāi)源芯片的代表，正式誕生了。羅馬數的V也暗示了“變種（Variations）”和“向量（Vectors）”，以支持各種體系結構研究，包括各種數據并行加速器，也是這個(gè)ISA設計的明確目標。

RISC-V是一種開(kāi)放源代碼的指令集架構，開(kāi)源意味著(zhù)自由、免費、可控 —— 對于RISC-V指令集的使用，RISC-V基金會(huì )不收取高額的授權費；也允許企業(yè)添加自有指令集，而不必開(kāi)放共享，實(shí)現差異化發(fā)展。另外，RISC-V采用了RISC設計理念，具有簡(jiǎn)潔、高效的指令集，只有40多條基本指令，這種設計可以提高處理器的性能和能效，降低功耗。同時(shí)，沒(méi)有向后兼容的歷史包袱。

x86和ARM由于歷史原因，指令集多達上千頁(yè)、沒(méi)有模塊化區分，導致很難靈活定制。RISC-V不僅短小精悍，其不同的部分還能以模塊化的方式組成在一起，例如RISC-V基金會(huì )制定了向量計算、加解密、壓縮等指令集擴展，用戶(hù)在設計芯片時(shí)可以選擇是否使用上述擴展，也可定制私有的指令集擴展，如針對通信任務(wù)加速定制編解碼指令擴展等。

從而通過(guò)一套統一的架構滿(mǎn)足各種不同的應用場(chǎng)景，具有很高的可擴展性。用戶(hù)能夠靈活選擇不同的模塊組合，可以根據不同的應用場(chǎng)景進(jìn)行定制和優(yōu)化。例如，可以通過(guò)添加定制指令來(lái)提高特定任務(wù)的性能，或者通過(guò)精簡(jiǎn)指令集來(lái)降低功耗。

降低軟件與硬件“互操作”的成本，追求極致的開(kāi)發(fā)和運行效率是計算機領(lǐng)域技術(shù)不斷發(fā)展的驅動(dòng)力，也是指令架構從曾經(jīng)的十幾種逐步收斂到一兩種的核心原因。開(kāi)源是指令架構演進(jìn)的必然趨勢，RISC-V軟件與硬件的互操作界面正處于被不同行業(yè)的專(zhuān)家以開(kāi)放透明的方式制定過(guò)程中，吸收全行業(yè)對于指令架構的最新需求。

目前在PC及服務(wù)器CPU市場(chǎng)，x86架構占據著(zhù)近90%的市場(chǎng)份額，這主要因為多年來(lái)x86處理器與Windows系統之間的生態(tài)的捆綁；在移動(dòng)CPU市場(chǎng)，則幾乎完全由ARM架構統治，也得益于過(guò)去十多年來(lái)ARM處理器與Android系統之間的生態(tài)捆綁。而RISC-V架構所具備的指令精簡(jiǎn)、模塊化、可擴展、開(kāi)源等特性，所帶來(lái)的低功耗、低成本、高能效、高可擴展性等優(yōu)勢，也與很多物聯(lián)網(wǎng)應用天然契合，這也正是RISC-V迅速在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)獲得成功的關(guān)鍵。

物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)雖然整體市場(chǎng)體量不小，但是卻非常的碎片化，很多細分市場(chǎng)不僅培育周期長(cháng)，出貨量也很有限，價(jià)值量也較低。所以對于RISC-V陣營(yíng)的廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，要想獲得更好的發(fā)展，就必須進(jìn)入到市場(chǎng)更廣闊的PC/服務(wù)器、移動(dòng)終端、汽車(chē)等高價(jià)值市場(chǎng)，與X86、ARM進(jìn)行正面競爭，而這首先就必須要突破性能上的瓶頸：針對通用計算RISC-V需要進(jìn)一步的優(yōu)化，例如IP核設計、處理器架構、編譯器等方面，都有待改進(jìn)以提高其性能核能力；通用計算意味著(zhù)更復雜的軟件生態(tài)，而這也是RISC-V亟需完善的地方。

硅谷傳奇芯片架構師Jim Keller在玄鐵RISC-V生態(tài)大會(huì )的在線(xiàn)視頻演講中也指出，在A(yíng)I這一方向上，大家認為RISC-V是為AI而生的架構，“RISC-V的潛力是無(wú)限的。例如，未來(lái)我們會(huì )迎來(lái)前所未見(jiàn)的AI軟件應用，而RISC-V有望打造出下一代的AI引擎?！?/span>

RISC-V提供AI需要的高性能處理器，同時(shí)也可以被設計為支持向量處理器（Vector Processor），提供更高的并行計算能力，優(yōu)化不同的機器學(xué)習算法和應用程序。此外，RISC-V提高性能和改善能效比，從而降低數據中心的能源和運營(yíng)成本，其也可以被設計為多核處理器，提供更高的并行計算能力和更好的負載均衡。RISC-V的開(kāi)放性和靈活性也使得處理器可以滿(mǎn)足不同的特定的服務(wù)器應用需求。

所謂時(shí)勢造英雄，在PC時(shí)代，依托Intel等少數巨頭的強大技術(shù)實(shí)力，完全封閉的x86架構成為了PC和服務(wù)器的主流架構；而進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后，更豐富的應用場(chǎng)景讓生態(tài)的概念愈發(fā)重要，采用IP授權模式、「半開(kāi)放」的ARM架構成功“上位”。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)之后，隨著(zhù)人工智能等技術(shù)應用熱潮此起彼伏，新型算力需求激增，業(yè)界正期待一種完全開(kāi)源、依托開(kāi)放生態(tài)的全新選擇，RISC-V由此開(kāi)始備受行業(yè)追捧，它很可能打破“雙寡頭”的競爭格局，成為計算架構“第三極”。

RISC-V終露鋒芒？

回溯發(fā)展歷程，RISC-V在證明其商業(yè)化價(jià)值的路上不可謂不快。在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)站穩腳跟后，快速向更高性能、更加縱深的方向去發(fā)展。當前，RISC-V的出貨量已經(jīng)足以證明其具有良好的商用場(chǎng)景，并且已經(jīng)完成了從物聯(lián)網(wǎng)單點(diǎn)突破向各領(lǐng)域多點(diǎn)開(kāi)花的生態(tài)跨越，RISC-V步入生態(tài)大繁榮的前夜。

無(wú)論是x86還是ARM架構，都是在新興市場(chǎng)和新興應用中成長(cháng)起來(lái)的。RISC-V也要率先找到突破口，形成規?；瘧玫氖痉缎?，再逐漸向更多領(lǐng)域擴展，然后形成一個(gè)“滾雪球”似的生態(tài)循環(huán)。隨著(zhù)RISC-V生態(tài)完備度及市場(chǎng)需求進(jìn)一步增長(cháng)，從物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)走向高性能領(lǐng)域是RISC-V近年來(lái)的發(fā)展主線(xiàn)，也是芯片架構走向主流的重要標志。

AI正成為RISC-V的新機遇。越來(lái)越多的AI引擎采用RISC-V，有直接采用RISC-V Vector、Matrix指令實(shí)現彈性算力的，也有采用RISC-V作為主控，實(shí)現NPU（網(wǎng)絡(luò )處理器）加速引擎的。

· 2023年5月，Meta基于RISC-V架構推出首代AI推理加速器。

· 2023年6月，谷歌、英特爾、英偉達、高通、阿里等13家企業(yè)發(fā)起的全球RISC-V軟件生態(tài)計劃“RISE”正式啟動(dòng)，旨在加速RISC-V的軟件生態(tài)建設及應用商業(yè)化進(jìn)程，成員將聯(lián)合推動(dòng)RISC-V處理器在移動(dòng)通信、數據中心、邊緣計算及自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的市場(chǎng)化落地。

· 2023年10月，高通宣布將與谷歌合作推出基于RISC-V架構、支持Wear OS系統的智能穿戴芯片，并將在全球市場(chǎng)進(jìn)行商用推廣。

有研究顯示云計算處理了近95%的工作負載和計算實(shí)例，是對芯片底層技術(shù)要求最高的領(lǐng)域之一，如果一個(gè)指令集不能在云數據中心實(shí)現規?；瘧?，很難稱(chēng)其在云計算領(lǐng)域獲得了成功。一般來(lái)說(shuō)，芯片指令集走向云計算可以分為四個(gè)階段。第一個(gè)階段是指令集的設計和完善以及高性能芯片設計制造；第二個(gè)階段是服務(wù)器等整機設備的研發(fā)；第三個(gè)階段是應用生態(tài)適配；第四個(gè)階段是大規模應用普及。目前業(yè)界已經(jīng)突破了高性能RISC-V芯片的設計制造和服務(wù)器的研發(fā)，正在積極推進(jìn)云計算應用生態(tài)的適配。

RISC-V在國際上已經(jīng)形成了一定范圍內的技術(shù)共識，有較好的技術(shù)委員會(huì )指導，有助于建立體系化、繁榮的生態(tài)。根據投資機構ARK Invest的預測，到2030年，ARM和RISC-V可能成為新的處理器標準，在云業(yè)務(wù)領(lǐng)域取代英特爾×86架構，ARM＋RISC-V的組合所占據的市場(chǎng)份額，將從2020年的零，增加至2030年的71%。

在技術(shù)創(chuàng )新和市場(chǎng)需求的雙輪驅動(dòng)下，RISC-V發(fā)展潛力盡顯，被寄予與英特爾x86和ARM架構三分天下的厚望。在此趨勢下，RISC-V不斷強勢擴張自己的“朋友圈”。行業(yè)巨頭入局 RISC-V，已成為全球技術(shù)及市場(chǎng)演進(jìn)發(fā)展的風(fēng)向標之一。

對芯片設計企業(yè)而言，相較于完全封閉的x86架構和需要不菲授權費用的ARM架構，RISC-V的開(kāi)源模式能夠大幅降低芯片設計的周期和成本，并依托越來(lái)越繁榮的生態(tài)，迅速覆蓋更多的應用。這些優(yōu)勢讓RISC-V從最初的被觀(guān)望狀態(tài)，很快便成為半導體產(chǎn)業(yè)的新寵，發(fā)展速度遠超預期。

據RISC-V International統計，2022年全球采用RISC-V架構的處理器出貨量超過(guò)100億顆，ARM架構用了17年完成了這一里程碑，而RISC-V只用了12年。預計未來(lái)幾年RISC-V采用率將以40%年復合增長(cháng)率增長(cháng)，2030年RISC-V架構芯片更有望突破160億顆。

在未來(lái)，隨著(zhù)生態(tài)建設的加強和技術(shù)成熟度的提高，RISC-V有望在各個(gè)領(lǐng)域實(shí)現廣泛的市場(chǎng)應用，開(kāi)啟硬件革命的新篇章。