RISC-V終露鋒芒？打破計(jì)算架構(gòu)“雙寡頭”競爭格局

前言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心是處理器，它負(fù)責(zé)執(zhí)行程序中的指令。為了能夠讓處理器理解并執(zhí)行這些指令，需要有一套規(guī)范，這就是指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA）。在計(jì)算機(jī)歷史的發(fā)展過程中，處理器設(shè)計(jì)出現(xiàn)了兩種主要的指令集架構(gòu)：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。指令集可以理解為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟件和硬件交互的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)這種復(fù)雜性會導(dǎo)致處理器的性能和能效下降。20世紀(jì)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)者開始嘗試對傳統(tǒng)的CISC進(jìn)行精簡， RISC便由此誕生，信息技術(shù)史上浩浩蕩蕩的CISC與RISC之爭拉開帷幕。

RISC-V有何不同？

2010年，加州大學(xué)伯克利分校的科研團(tuán)隊(duì)在調(diào)研了x86、ARM等現(xiàn)有指令集后，得出主流指令集存在知識產(chǎn)權(quán)限制、指令集架構(gòu)復(fù)雜的結(jié)論，于是該團(tuán)隊(duì)從零開始，設(shè)計(jì)了一套全新的指令集。就在這樣的背景下，RISC-V（即第五代精簡指令集計(jì)算機(jī)）作為開源芯片的代表，正式誕生了。羅馬數(shù)的V也暗示了“變種（Variations）”和“向量（Vectors）”，以支持各種體系結(jié)構(gòu)研究，包括各種數(shù)據(jù)并行加速器，也是這個(gè)ISA設(shè)計(jì)的明確目標(biāo)。

RISC-V是一種開放源代碼的指令集架構(gòu)，開源意味著自由、免費(fèi)、可控 —— 對于RISC-V指令集的使用，RISC-V基金會不收取高額的授權(quán)費(fèi)；也允許企業(yè)添加自有指令集，而不必開放共享，實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展。另外，RISC-V采用了RISC設(shè)計(jì)理念，具有簡潔、高效的指令集，只有40多條基本指令，這種設(shè)計(jì)可以提高處理器的性能和能效，降低功耗。同時(shí)，沒有向后兼容的歷史包袱。

x86和ARM由于歷史原因，指令集多達(dá)上千頁、沒有模塊化區(qū)分，導(dǎo)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基金會制定了向量計(jì)算、加解密、壓縮等指令集擴(kuò)展，用戶在設(shè)計(jì)芯片時(shí)可以選擇是否使用上述擴(kuò)展，也可定制私有的指令集擴(kuò)展，如針對通信任務(wù)加速定制編解碼指令擴(kuò)展等。

從而通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用場景，具有很高的可擴(kuò)展性。用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行定制和優(yōu)化。例如，可以通過添加定制指令來提高特定任務(wù)的性能，或者通過精簡指令集來降低功耗。

降低軟件與硬件“互操作”的成本，追求極致的開發(fā)和運(yùn)行效率是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域技術(shù)不斷發(fā)展的驅(qū)動力，也是指令架構(gòu)從曾經(jīng)的十幾種逐步收斂到一兩種的核心原因。開源是指令架構(gòu)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)的專家以開放透明的方式制定過程中，吸收全行業(yè)對于指令架構(gòu)的最新需求。

目前在PC及服務(wù)器CPU市場，x86架構(gòu)占據(jù)著近90%的市場份額，這主要因?yàn)槎嗄陙韝86處理器與Windows系統(tǒng)之間的生態(tài)的捆綁；在移動CPU市場，則幾乎完全由ARM架構(gòu)統(tǒng)治，也得益于過去十多年來ARM處理器與Android系統(tǒng)之間的生態(tài)捆綁。而RISC-V架構(gòu)所具備的指令精簡、模塊化、可擴(kuò)展、開源等特性，所帶來的低功耗、低成本、高能效、高可擴(kuò)展性等優(yōu)勢，也與很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用天然契合，這也正是RISC-V迅速在物聯(lián)網(wǎng)市場獲得成功的關(guān)鍵。

物聯(lián)網(wǎng)市場雖然整體市場體量不小，但是卻非常的碎片化，很多細(xì)分市場不僅培育周期長，出貨量也很有限，價(jià)值量也較低。所以對于RISC-V陣營的廠商來說，要想獲得更好的發(fā)展，就必須進(jìn)入到市場更廣闊的PC/服務(wù)器、移動終端、汽車等高價(jià)值市場，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(jì)算RISC-V需要進(jìn)一步的優(yōu)化，例如IP核設(shè)計(jì)、處理器架構(gòu)、編譯器等方面，都有待改進(jìn)以提高其性能核能力；通用計(jì)算意味著更復(fù)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(gòu)師Jim Keller在玄鐵RISC-V生態(tài)大會的在線視頻演講中也指出，在AI這一方向上，大家認(rèn)為RISC-V是為AI而生的架構(gòu)，“RISC-V的潛力是無限的。例如，未來我們會迎來前所未見的AI軟件應(yīng)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(shè)計(jì)為支持向量處理器（Vector Processor），提供更高的并行計(jì)算能力，優(yōu)化不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和應(yīng)用程序。此外，RISC-V提高性能和改善能效比，從而降低數(shù)據(jù)中心的能源和運(yùn)營成本，其也可以被設(shè)計(jì)為多核處理器，提供更高的并行計(jì)算能力和更好的負(fù)載均衡。RISC-V的開放性和靈活性也使得處理器可以滿足不同的特定的服務(wù)器應(yīng)用需求。

所謂時(shí)勢造英雄，在PC時(shí)代，依托Intel等少數(shù)巨頭的強(qiáng)大技術(shù)實(shí)力，完全封閉的x86架構(gòu)成為了PC和服務(wù)器的主流架構(gòu)；而進(jìn)入移動互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后，更豐富的應(yīng)用場景讓生態(tài)的概念愈發(fā)重要，采用IP授權(quán)模式、「半開放」的ARM架構(gòu)成功“上位”。移動互聯(lián)網(wǎng)之后，隨著人工智能等技術(shù)應(yīng)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源、依托開放生態(tài)的全新選擇，RISC-V由此開始備受行業(yè)追捧，它很可能打破“雙寡頭”的競爭格局，成為計(jì)算架構(gòu)“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)市場站穩(wěn)腳跟后，快速向更高性能、更加縱深的方向去發(fā)展。當(dāng)前，RISC-V的出貨量已經(jīng)足以證明其具有良好的商用場景，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)開花的生態(tài)跨越，RISC-V步入生態(tài)大繁榮的前夜。

無論是x86還是ARM架構(gòu)，都是在新興市場和新興應(yīng)用中成長起來的。RISC-V也要率先找到突破口，形成規(guī)模化應(yīng)用的示范效應(yīng)，再逐漸向更多領(lǐng)域擴(kuò)展，然后形成一個(gè)“滾雪球”似的生態(tài)循環(huán)。隨著RISC-V生態(tài)完備度及市場需求進(jìn)一步增長，從物聯(lián)網(wǎng)市場走向高性能領(lǐng)域是RISC-V近年來的發(fā)展主線，也是芯片架構(gòu)走向主流的重要標(biāo)志。

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

· 2023年5月，Meta基于RISC-V架構(gòu)推出首代AI推理加速器。

· 2023年6月，谷歌、英特爾、英偉達(dá)、高通、阿里等13家企業(yè)發(fā)起的全球RISC-V軟件生態(tài)計(jì)劃“RISE”正式啟動，旨在加速RISC-V的軟件生態(tài)建設(shè)及應(yīng)用商業(yè)化進(jìn)程，成員將聯(lián)合推動RISC-V處理器在移動通信、數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算及自動駕駛等領(lǐng)域的市場化落地。

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

有研究顯示云計(jì)算處理了近95%的工作負(fù)載和計(jì)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(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，很難稱其在云計(jì)算領(lǐng)域獲得了成功。一般來說，芯片指令集走向云計(jì)算可以分為四個(gè)階段。第一個(gè)階段是指令集的設(shè)計(jì)和完善以及高性能芯片設(shè)計(jì)制造；第二個(gè)階段是服務(wù)器等整機(jī)設(shè)備的研發(fā)；第三個(gè)階段是應(yīng)用生態(tài)適配；第四個(gè)階段是大規(guī)模應(yīng)用普及。目前業(yè)界已經(jīng)突破了高性能RISC-V芯片的設(shè)計(jì)制造和服務(wù)器的研發(fā)，正在積極推進(jìn)云計(jì)算應(yīng)用生態(tài)的適配。

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

在技術(shù)創(chuàng)新和市場需求的雙輪驅(qū)動下，RISC-V發(fā)展?jié)摿ΡM顯，被寄予與英特爾x86和ARM架構(gòu)三分天下的厚望。在此趨勢下，RISC-V不斷強(qiáng)勢擴(kuò)張自己的“朋友圈”。行業(yè)巨頭入局 RISC-V，已成為全球技術(shù)及市場演進(jìn)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)之一。

對芯片設(shè)計(jì)企業(yè)而言，相較于完全封閉的x86架構(gòu)和需要不菲授權(quán)費(fèi)用的ARM架構(gòu)，RISC-V的開源模式能夠大幅降低芯片設(shè)計(jì)的周期和成本，并依托越來越繁榮的生態(tài)，迅速覆蓋更多的應(yīng)用。這些優(yōu)勢讓RISC-V從最初的被觀望狀態(tài)，很快便成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新寵，發(fā)展速度遠(yuǎn)超預(yù)期。

據(jù)RISC-V International統(tǒng)計(jì)，2022年全球采用RISC-V架構(gòu)的處理器出貨量超過100億顆，ARM架構(gòu)用了17年完成了這一里程碑，而RISC-V只用了12年。預(yù)計(jì)未來幾年RISC-V采用率將以40%年復(fù)合增長率增長，2030年RISC-V架構(gòu)芯片更有望突破160億顆。

在未來，隨著生態(tài)建設(shè)的加強(qiáng)和技術(shù)成熟度的提高，RISC-V有望在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛的市場應(yīng)用，開啟硬件革命的新篇章。