RISC-V與Arm之爭：開發(fā)中國自己的開源架構(gòu)才是王道

10月21日，在第六屆烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)大會上，阿里巴巴旗下平頭哥半導(dǎo)體宣布，開源基于RISC-V指令集的低功耗微控制芯片（MCU）設(shè)計平臺，將業(yè)界對近期本已非?；馃岬?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/RISC-V">RISC-V指令集的關(guān)注推向新高度。

而就在數(shù)天前，Arm在Arm TechCon 2019大會中宣布，推出針對Armv8-M架構(gòu)新增的功能Arm Custom Instructions（客制化指令）。Arm長久以來只開放IP授權(quán)，業(yè)界將Arm Custom Instructions的推出解讀為Arm應(yīng)對開源指令集架構(gòu)RISC-V的競爭壓力所作出的措施。

關(guān)于RISC-V與Arm之爭以及中國指令集市場發(fā)展再次成為業(yè)界話題焦點。

開源指令集架構(gòu)RISC-V強(qiáng)勢崛起

指令集可分為復(fù)雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC），此前全球幾大指令集架構(gòu)有X86、Arm、MIPS、POWER、SPARC等，其中X86屬復(fù)雜指令集，Arm、MIPS等屬精簡指令集。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，隨著MIPS、SPARC的日漸式微，指令集架構(gòu)已形成較為穩(wěn)定的市場格局：由X86和Arm兩大指令集占據(jù)大部分市場份額，其中在服務(wù)器、PC領(lǐng)域，X86指令集占據(jù)主要市場地位；在移動通訊領(lǐng)域，Arm指令集被廣泛使用，具有壟斷地位。

不過，這一格局正在受到一個發(fā)布不到10年的指令集——RISC-V的沖擊。

2010年，加州大學(xué)伯克利校一個研究團(tuán)隊在為新項目選擇處理器指令集時分析了Arm、MIPS、SPARC、X86等多個指令集，發(fā)現(xiàn)它們不僅設(shè)計越來越復(fù)雜，還存在知識產(chǎn)權(quán)問題。于是伯克利的研究團(tuán)隊從零開始設(shè)計一套全新的指令集，這個新的指令集命名為“RISC-V”，表示為第五代RISC。

相對于X86指令集的完全封閉及Arm指令集高昂的專利授權(quán)費用，RISC-V指令集完全開源共享，任何公司、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)與個人都可以自由免費使用，并具備精簡、模塊化、可拓展等優(yōu)點。對于芯片設(shè)計廠商而言，除了不用擔(dān)心會涉及專利問題外，RISC-V指令集展現(xiàn)出的靈活性亦極具吸引力。

憑借著免費、開源、靈活等優(yōu)勢，RISC-V指令集推出后受到眾多芯片設(shè)計廠商的關(guān)注，在短短幾年間在全球范圍內(nèi)迅速崛起。

RISC-V指令集屬于一個開放的、非盈利性質(zhì)的基金會，自2015年成立至今，RISC-V基金會已擁有超過327家成員，成員中涵蓋了半導(dǎo)體設(shè)計制造公司、系統(tǒng)集成商、設(shè)備制造商、軍工企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、高校等各類組織，其中白金會員包括谷歌、微芯科技、美光、英偉達(dá)、恩智浦、高通、三星、西部數(shù)據(jù)等全球知名科技/半導(dǎo)體企業(yè)，金、銀和審計員隊列中亦有臺積電、英飛凌、意法半導(dǎo)體、聯(lián)發(fā)科等一眾知名半導(dǎo)體企業(yè)。

如今，RISC-V已獲得多家半導(dǎo)體巨頭的支持。早在2017年，存儲巨頭西部數(shù)據(jù)宣布將把每年各類存儲產(chǎn)品中嵌入的10億個處理器核換成RISC-V，并于2019年2月發(fā)布其基于RISC-V指令集的自研通用架構(gòu)SweRV；芯片巨頭高通亦參與了RISC-V指令集廠商SiFive的融資；晶圓代工龍頭臺積電已導(dǎo)入RISC-V代工業(yè)務(wù)，近期傳聞三星也將涉足RISC-V芯片代工。

除了企業(yè)、機(jī)構(gòu)等單位外，多個國家亦對RISC-V作出了戰(zhàn)略規(guī)劃與部署，包括如美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助了RISC-V基金會，并在安全征集提案中要求使用RISC-V；歐洲委員會2018年啟動EPI計劃，RISC-V和Arm都將作為此次計劃的備選指令集；印度更是將在過去幾年全面擁抱RISC-V，RISC-V已成為印度國家指令集......

中國扛起RISC-V指令集大旗

RISC-V已獲得眾多國家的支持，該陣營目前已相當(dāng)熱鬧，玩家越來越多，中國廠商則是RISC-V指令集陣營的中堅力量。

目前，中國企業(yè)阿里巴巴以及小米生態(tài)鏈公司華米科技是RISC-V基金會19個白金會員之一，華為、全志科技、君正、樂鑫、芯來科技等中國企業(yè)及機(jī)構(gòu)亦在RISC-V基金會的金、銀和審計員隊列中。

除了眾多企業(yè)、高校和機(jī)構(gòu)成為RISC-V基金會成員后，中國本土亦建立起兩大RISC-V聯(lián)盟。

2018年9月，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（China RISC-V Industry Consortium）正式成立，該聯(lián)盟由芯原控股、芯來科技、上海賽昉科技（SiFive China）、杭州中天微、北京君正、兆易創(chuàng)新、紫光展銳、晶晨半導(dǎo)體、華大半導(dǎo)體、上海集成電路行業(yè)協(xié)會等單位共同發(fā)起。

2018年11月，中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟在烏鎮(zhèn)世界互聯(lián)網(wǎng)大會正式成立，成員包括北京大學(xué)、清華大學(xué)、華為、百度、紫光展銳、騰訊、華米科技、全志科技、蘇州國芯等系列高校、互聯(lián)網(wǎng)巨頭及半導(dǎo)體企業(yè)。

此外，近兩年來國內(nèi)相繼發(fā)布多款基于RISC-V指令集的芯片產(chǎn)品，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)升溫，其中阿里巴巴為最主要的RISC-V指令集支持者之一。

2019年7月，阿里巴巴旗下平頭哥半導(dǎo)體發(fā)布其成立后的第一款芯片產(chǎn)品玄鐵910，這是一款基于RISC-V指令集的CPU IP Core。同時，阿里巴巴宣布啟動“惠普芯片”計劃，未來將全面開放玄鐵910 IP Core，全球開發(fā)者均可免費下載該處理器的FPGA代碼，開展芯片原型設(shè)計和架構(gòu)創(chuàng)新。

10月21日，在第六屆烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)大會上，阿里巴巴宣布開源RISC-V內(nèi)核MCU芯片設(shè)計平臺。據(jù)介紹，平頭哥開源MCU芯片設(shè)計平臺包含處理器、基礎(chǔ)接口IP、操作系統(tǒng)、軟件驅(qū)動、開發(fā)工具等全套模塊，搭載基于RISC-V指令集的玄鐵902處理器。

該平臺面向AIoT時代的定制化芯片設(shè)計需求，目標(biāo)群體包括芯片設(shè)計公司、IP供應(yīng)商、高校、科研院所等，目前開源的是玄鐵902處理器及相關(guān)IP，不過平頭哥透露，后續(xù)還將開放更多IP和玄鐵處理器。

除了阿里巴巴外，華米科技、紫光展銳、兆易創(chuàng)新、芯來科技等芯片廠商亦已發(fā)布基于RISC-V指令集的芯片產(chǎn)品。

2018年9月，華米科技發(fā)布全球首款采用RISC-V開源指令集的可穿戴處理器“黃山1號”。2019年6月，華米科技基于“黃山1號”芯片打造的AMAZFIT米動健康手表發(fā)布，“黃山1號”正式商用。

紫光集團(tuán)旗下紫光展銳也已加入RISC-V指令集大軍中。目前，在RISC-V的商用領(lǐng)域，紫光展銳目前已有春藤5842和春藤5882兩款基于RISC-V的芯片實現(xiàn)量產(chǎn)，紫光展銳表示未來將繼續(xù)對RISC-V在5G、AI、工業(yè)半導(dǎo)體等領(lǐng)域的運用進(jìn)行有益探索。

2019年8月，國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)兆易創(chuàng)新推出一款基于RISC-V指令集的GD32V系列32位通用MCU產(chǎn)品GD32VF103系列，提供從芯片到程序代碼庫、開發(fā)套件、設(shè)計方案等完整工具鏈支持并持續(xù)打造RISC-V開發(fā)生態(tài)。

RISC-V基金會銀級會員之一芯來科技是國內(nèi)專注于RISC-V處理器內(nèi)核IP與解決方案的公司，目前也已發(fā)布面向AIoT的超低功耗產(chǎn)品線N200系列。該公司近期宣布完成數(shù)千萬元Pre-A輪融資。

兩大RISC-V聯(lián)盟的成立以及多款芯片產(chǎn)品的推出，正在加速推動中國RISC-V產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。雖然現(xiàn)在Arm指令集仍是中國市場最主流的指令集架構(gòu)，但一方面基于RISC-V指令集免費、精簡、模塊化、可擴(kuò)展等優(yōu)點，一方面受當(dāng)前充滿不確定性的復(fù)雜國際環(huán)境影響，RISC-V指令集越來越受到中國芯片廠商的重視。

老牌指令集打響自衛(wèi)反擊戰(zhàn)

這邊RISC-V指令集來勢洶洶，再加上物聯(lián)網(wǎng)等市場需求所趨，其他指令集也開始加入開源隊伍中來，老牌指令集廠商MIPS首先打響了自衛(wèi)反擊戰(zhàn)。

2018年12月，Wave Computing宣布開放其MIPS指令集架構(gòu)以便半導(dǎo)體公司、開發(fā)者以及大學(xué)能快速采用MIPS架構(gòu)用于下一代的SoC芯片的設(shè)計開發(fā)。MIPS指令集從1985年第一個版本發(fā)布至今發(fā)已有30多年歷史，2018年6月，美國公司W(wǎng)ave Computing收購了MIPS，開放MIPS指令集是該公司“All in AI”戰(zhàn)略的重要組成部分。

根據(jù)MIPS開放計劃，其并不是所有版本的MIPS指令集，僅是最新的MIPS Release 6版本，與RISC-V指令集的開源既有所相似、亦有不同，相比之下RISC-V指令集的開源更為徹底。

繼MIPS之后，一直穩(wěn)坐移動通訊領(lǐng)域龍頭的Arm亦對RISC-V指令集的發(fā)展勢頭萬分戒備。

2018年6月，Arm建立RISC-BASICS.COM的網(wǎng)站，以“設(shè)計系統(tǒng)芯片之前需要考慮的五件事”為主題，從成本、生態(tài)系統(tǒng)、碎片化風(fēng)險、安全性和設(shè)計保證五個方面說明RISC-V在這些方面的弊端。

雖然這個網(wǎng)站不到一個月就被Arm關(guān)閉，但外界從這一舉動中看出Arm已受到來自RISC-V指令集的競爭壓力。曾有機(jī)構(gòu)調(diào)研顯示，2017年Arm的IP授權(quán)收入下滑6.8%，一方面是因為被軟銀收購之后導(dǎo)致財務(wù)報表改變，另一個重要原因是來自競爭對手的增加，即RISC-V。

如果設(shè)立網(wǎng)站辯論仍停留在“口舌之爭”，那近期Arm宣布推出Arm Custom Instructions客制化指令這一舉動，更被業(yè)界看作是應(yīng)對RISC-V指令集的競爭威脅。

Arm Custom Instructions將于2020年上半年開始在Arm Cortex-M33 CPU上實施，并且不會對新的或既有授權(quán)廠商收取額外費用，同時讓SoC設(shè)計人員在沒有軟件碎片化風(fēng)險下，得以針對特定嵌入式與IoT應(yīng)用加入自己的指令。

據(jù)介紹，Arm Custom Instructions通過對CPU進(jìn)行修改、保留編碼空間得以實現(xiàn)，幫助設(shè)計人員輕易增加客制化數(shù)據(jù)路徑擴(kuò)展，同時保有既有軟件生態(tài)系統(tǒng)的完整性。這個功能加上既有的協(xié)處理器接口，可讓Cortex-M33 CPU利用針對機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）與人工智能（AI）等邊緣計算應(yīng)用場景優(yōu)化的各類型加速器進(jìn)行擴(kuò)展。

與MIPS開發(fā)計劃類似，Arm的客制化指令已針對Cortex-M33，該系列主要面向物聯(lián)網(wǎng)和輕量級AI等應(yīng)用領(lǐng)域。某不愿具名的業(yè)內(nèi)人士向筆者表示，物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域需求量大，注重低成本、低功耗、高效能比等，對軟件生態(tài)的依賴性相對較低、市場較為分散，Arm基于其處理器IP商業(yè)的成功推廣，目前Cortex-M嵌入式領(lǐng)域占據(jù)多數(shù)市場份額。

但該人士也指出，其他RISC指令集處理器也有不錯的表現(xiàn)，尤其是近期陸續(xù)有廠商推出自家RISC-V架構(gòu)的芯片，未來在IoT應(yīng)用不斷落地的影響下，可以預(yù)見會有更多的RISC-V架構(gòu)的芯片問世，這在一定程度上可能危及到Arm Cortex-M架構(gòu)未來的地位。

他認(rèn)為，Arm推出客制化指令，一方面是針對物聯(lián)網(wǎng)等新興市場提供芯片靈活性，另一方面則為了對RISC-V指令集的防守。

開發(fā)中國的開源架構(gòu)才是王道

RISC-V指令集雖然火熱，但其仍處發(fā)展期，產(chǎn)業(yè)生態(tài)仍遠(yuǎn)不如老牌廠商，MIPS、尤其是Arm針對性的“開源”計劃，對RISC-V指令集本身發(fā)展以及正在火熱發(fā)展RISC-V的中國市場將有何影響？

上述業(yè)內(nèi)人士指出，Arm客制化指令的推出，一定程度上一定程度上在不增加客戶使用成本的前提下，為物聯(lián)網(wǎng)等客戶芯片開發(fā)提供了更高的靈活性。從采用Arm指令集的芯片開發(fā)商的角度看，開源度提升無疑是好事，將擁有更多自主性、差異化以及客制化設(shè)計。

不過，該人士認(rèn)為Arm此舉雖然加強(qiáng)了Arm的客戶粘度，對RISC-V起到了一定的防御作用，但并不會遏制RISC-V的發(fā)展，廣大市場客戶對RISC-V的研究開發(fā)熱情更不會減退，尤其是中國廠商。

眾所周知，中興、華為事件爆發(fā)后，“自主可控”已成為大陸廠商抵御風(fēng)險的重要保障。Arm指令集授權(quán)方式不同，盡管華為海思等已購買Arm指令集終身授權(quán)，但可能仍難以擺脫受到美國出口管制的限制；相較而言，RISC-V的開源明顯比Arm更能滿足“自主可控”的需求。

在這里，不得不提一下Arm去年成立的Arm中國。Arm中國是Arm與中資的合資公司，雙方持股比例為中方 51%、Arm 49%，據(jù)Arm高層表示，Arm會將全球所有IP共享給中國合資公司，由它做修改、調(diào)試等，衍生出只屬于中國自己的IP。

從某種意義上解讀，Arm中國未來或有可能誕生屬于中國的IP，但實際上合資公司要想出完全屬于自己的全新IP非常困難，仍需要較長的周期。

至于暫且不受專利及國際環(huán)境影響的RISC-V，上述人士則表示，雖然RISC-V目前為開源共享，但其技術(shù)終究源自美國，并不能保證永久開源。

對于中國廠商而言，“只有開發(fā)出屬于中國自己的開源架構(gòu)才是真正自主可控。”