RISC-V與Arm之爭(zhēng)：開(kāi)發(fā)中國(guó)自己的開(kāi)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(huì)上，阿里巴巴旗下平頭哥半導(dǎo)體宣布，開(kāi)源基于RISC-V指令集的低功耗微控制芯片（MCU）設(shè)計(jì)平臺(tái)，將業(yè)界對(duì)近期本已非?；馃岬?a class="contentlabel" href="http://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(huì)中宣布，推出針對(duì)Armv8-M架構(gòu)新增的功能Arm Custom Instructions（客制化指令）。Arm長(zhǎng)久以來(lái)只開(kāi)放IP授權(quán)，業(yè)界將Arm Custom Instructions的推出解讀為Arm應(yīng)對(duì)開(kāi)源指令集架構(gòu)RISC-V的競(jìng)爭(zhēng)壓力所作出的措施。

關(guān)于RISC-V與Arm之爭(zhēng)以及中國(guó)指令集市場(chǎng)發(fā)展再次成為業(yè)界話題焦點(diǎn)。

開(kāi)源指令集架構(gòu)RISC-V強(qiáng)勢(shì)崛起

指令集可分為復(fù)雜指令集（CISC）和精簡(jiǎn)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?gòu)?fù)雜指令集，Arm、MIPS等屬精簡(jiǎn)指令集。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)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(chǎng)格局：由X86和Arm兩大指令集占據(jù)大部分市場(chǎng)份額，其中在服務(wù)器、PC領(lǐng)域，X86指令集占據(jù)主要市場(chǎng)地位；在移動(dòng)通訊領(lǐng)域，Arm指令集被廣泛使用，具有壟斷地位。

不過(guò)，這一格局正在受到一個(gè)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(gè)研究團(tuán)隊(duì)在為新項(xiàng)目選擇處理器指令集時(shí)分析了Arm、MIPS、SPARC、X86等多個(gè)指令集，發(fā)現(xiàn)它們不僅設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，還存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。于是伯克利的研究團(tuán)隊(duì)從零開(kāi)始設(shè)計(jì)一套全新的指令集，這個(gè)新的指令集命名為“RISC-V”，表示為第五代RISC。

相對(duì)于X86指令集的完全封閉及Arm指令集高昂的專利授權(quán)費(fèi)用，RISC-V指令集完全開(kāi)源共享，任何公司、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)與個(gè)人都可以自由免費(fèi)使用，并具備精簡(jiǎn)、模塊化、可拓展等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于芯片設(shè)計(jì)廠商而言，除了不用擔(dān)心會(huì)涉及專利問(wèn)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(fèi)、開(kāi)源、靈活等優(yōu)勢(shì)，RISC-V指令集推出后受到眾多芯片設(shè)計(jì)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(gè)開(kāi)放的、非盈利性質(zhì)的基金會(huì)，自2015年成立至今，RISC-V基金會(huì)已擁有超過(guò)327家成員，成員中涵蓋了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)員隊(duì)列中亦有臺(tái)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(chǔ)巨頭西部數(shù)據(jù)宣布將把每年各類存儲(chǔ)產(chǎn)品中嵌入的10億個(gè)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(tái)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(gè)國(guó)家亦對(duì)RISC-V作出了戰(zhàn)略規(guī)劃與部署，包括如美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助了RISC-V基金會(huì)，并在安全征集提案中要求使用RISC-V；歐洲委員會(huì)2018年啟動(dòng)EPI計(jì)劃，RISC-V和Arm都將作為此次計(jì)劃的備選指令集；印度更是將在過(guò)去幾年全面擁抱RISC-V，RISC-V已成為印度國(guó)家指令集......

中國(guó)扛起RISC-V指令集大旗

RISC-V已獲得眾多國(guó)家的支持，該陣營(yíng)目前已相當(dāng)熱鬧，玩家越來(lái)越多，中國(guó)廠商則是RISC-V指令集陣營(yíng)的中堅(jiān)力量。

目前，中國(guó)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(huì)19個(gè)白金會(huì)員之一，華為、全志科技、君正、樂(lè)鑫、芯來(lái)科技等中國(guó)企業(yè)及機(jī)構(gòu)亦在RISC-V基金會(huì)的金、銀和審計(jì)員隊(duì)列中。

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

2018年9月，中國(guó)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(lái)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(huì)等單位共同發(fā)起。

2018年11月，中國(guó)開(kāi)放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟在烏鎮(zhèn)世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)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(guó)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(lái)國(guó)內(nèi)相繼發(fā)布多款基于RISC-V指令集的芯片產(chǎn)品，中國(guó)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(shí)，阿里巴巴宣布啟動(dòng)“惠普芯片”計(jì)劃，未來(lái)將全面開(kāi)放玄鐵910 IP Core，全球開(kāi)發(fā)者均可免費(fèi)下載該處理器的FPGA代碼，開(kāi)展芯片原型設(shè)計(jì)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(huì)上，阿里巴巴宣布開(kāi)源RISC-V內(nèi)核MCU芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)。據(jù)介紹，平頭哥開(kāi)源MCU芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)包含處理器、基礎(chǔ)接口IP、操作系統(tǒng)、軟件驅(qū)動(dòng)、開(kāi)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(tái)面向AIoT時(shí)代的定制化芯片設(shè)計(jì)需求，目標(biāo)群體包括芯片設(shè)計(jì)公司、IP供應(yīng)商、高校、科研院所等，目前開(kāi)源的是玄鐵902處理器及相關(guān)IP，不過(guò)平頭哥透露，后續(xù)還將開(kāi)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(lái)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(kāi)源指令集的可穿戴處理器“黃山1號(hào)”。2019年6月，華米科技基于“黃山1號(hào)”芯片打造的AMAZFIT米動(dòng)健康手表發(fā)布，“黃山1號(hào)”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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，紫光展銳表示未來(lái)將繼續(xù)對(duì)RISC-V在5G、AI、工業(yè)半導(dǎo)體等領(lǐng)域的運(yùn)用進(jìn)行有益探索。

2019年8月，國(guó)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(kù)、開(kāi)發(fā)套件、設(shè)計(jì)方案等完整工具鏈支持并持續(xù)打造RISC-V開(kāi)發(fā)生態(tài)。

RISC-V基金會(huì)銀級(jí)會(huì)員之一芯來(lái)科技是國(guó)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(wàn)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(dòng)中國(guó)RISC-V產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。雖然現(xiàn)在Arm指令集仍是中國(guó)市場(chǎng)最主流的指令集架構(gòu)，但一方面基于RISC-V指令集免費(fèi)、精簡(jiǎn)、模塊化、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，一方面受當(dāng)前充滿不確定性的復(fù)雜國(guó)際環(huán)境影響，RISC-V指令集越來(lái)越受到中國(guó)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(lái)勢(shì)洶洶，再加上物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)需求所趨，其他指令集也開(kāi)始加入開(kāi)源隊(duì)伍中來(lái)，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(kāi)放其MIPS指令集架構(gòu)以便半導(dǎo)體公司、開(kāi)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(jì)開(kāi)發(fā)。MIPS指令集從1985年第一個(gè)版本發(fā)布至今發(fā)已有30多年歷史，2018年6月，美國(guó)公司W(wǎng)ave Computing收購(gòu)了MIPS，開(kāi)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(kāi)放計(jì)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(kāi)源既有所相似、亦有不同，相比之下RISC-V指令集的開(kāi)源更為徹底。

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

2018年6月，Arm建立RISC-BASICS.COM的網(wǎng)站，以“設(shè)計(jì)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(xiǎn)、安全性和設(shè)計(jì)保證五個(gè)方面說(shuō)明RISC-V在這些方面的弊端。

雖然這個(gè)網(wǎng)站不到一個(gè)月就被Arm關(guān)閉，但外界從這一舉動(dòng)中看出Arm已受到來(lái)自RISC-V指令集的競(jìng)爭(zhēng)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?yàn)楸卉涖y收購(gòu)之后導(dǎo)致財(cái)務(wù)報(bào)表改變，另一個(gè)重要原因是來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(zhēng)”，那近期Arm宣布推出Arm Custom Instructions客制化指令這一舉動(dòng)，更被業(yè)界看作是應(yīng)對(duì)RISC-V指令集的競(jìng)爭(zhēng)威脅。

Arm Custom Instructions將于2020年上半年開(kāi)始在Arm Cortex-M33 CPU上實(shí)施，并且不會(huì)對(duì)新的或既有授權(quán)廠商收取額外費(fèi)用，同時(shí)讓SoC設(shè)計(jì)人員在沒(méi)有軟件碎片化風(fēng)險(xiǎn)下，得以針對(duì)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(guò)對(duì)CPU進(jìn)行修改、保留編碼空間得以實(shí)現(xiàn)，幫助設(shè)計(jì)人員輕易增加客制化數(shù)據(jù)路徑擴(kuò)展，同時(shí)保有既有軟件生態(tài)系統(tǒng)的完整性。這個(gè)功能加上既有的協(xié)處理器接口，可讓Cortex-M33 CPU利用針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）與人工智能（AI）等邊緣計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化的各類型加速器進(jìn)行擴(kuò)展。

與MIPS開(kāi)發(fā)計(jì)劃類似，Arm的客制化指令已針對(duì)Cortex-M33，該系列主要面向物聯(lián)網(wǎng)和輕量級(jí)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(duì)軟件生態(tài)的依賴性相對(duì)較低、市場(chǎng)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(chǎng)份額。

但該人士也指出，其他RISC指令集處理器也有不錯(cuò)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(lái)在IoT應(yīng)用不斷落地的影響下，可以預(yù)見(jiàn)會(huì)有更多的RISC-V架構(gòu)的芯片問(wèn)世，這在一定程度上可能危及到Arm Cortex-M架構(gòu)未來(lái)的地位。

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

開(kāi)發(fā)中國(guó)的開(kāi)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(duì)性的“開(kāi)源”計(jì)劃，對(duì)RISC-V指令集本身發(fā)展以及正在火熱發(fā)展RISC-V的中國(guó)市場(chǎng)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(kāi)發(fā)提供了更高的靈活性。從采用Arm指令集的芯片開(kāi)發(fā)商的角度看，開(kāi)源度提升無(wú)疑是好事，將擁有更多自主性、差異化以及客制化設(shè)計(jì)。

不過(guò)，該人士認(rèn)為Arm此舉雖然加強(qiáng)了Arm的客戶粘度，對(duì)RISC-V起到了一定的防御作用，但并不會(huì)遏制RISC-V的發(fā)展，廣大市場(chǎng)客戶對(duì)RISC-V的研究開(kāi)發(fā)熱情更不會(huì)減退，尤其是中國(guó)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(xiǎn)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(gòu)買Arm指令集終身授權(quán)，但可能仍難以擺脫受到美國(guó)出口管制的限制；相較而言，RISC-V的開(kāi)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(guó)。Arm中國(guó)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(huì)將全球所有IP共享給中國(guó)合資公司，由它做修改、調(diào)試等，衍生出只屬于中國(guó)自己的IP。

從某種意義上解讀，Arm中國(guó)未來(lái)或有可能誕生屬于中國(guó)的IP，但實(shí)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(zhǎng)的周期。

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

對(duì)于中國(guó)廠商而言，“只有開(kāi)發(fā)出屬于中國(guó)自己的開(kāi)源架構(gòu)才是真正自主可控?！?/p>