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轉(zhuǎn)自億歐網(wǎng)

芯片行業(yè)落后三四十年的中國(guó)，能否借RISC-V發(fā)展契機(jī)直擊行業(yè)“金字塔尖”，絕地求生。

近日，由海淀區(qū)政府、北京市科委、北京微芯邊緣計(jì)算研究院共同發(fā)起，中關(guān)村科學(xué)城開(kāi)源芯片源碼創(chuàng)新中心成立。創(chuàng)新中心將推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域全球標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建，建設(shè)國(guó)際開(kāi)源平臺(tái)，提升我國(guó)芯片設(shè)計(jì)硬實(shí)力和自主可控核心能力。

眾所周知，芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)一直被譽(yù)為芯片行業(yè)的“金字塔尖”，難度巨大，且一直被國(guó)外壟斷。

此次，中關(guān)村科學(xué)城開(kāi)源芯片源碼創(chuàng)新中心的成立，旨在搶抓RISC-V芯片生態(tài)發(fā)展機(jī)遇期，構(gòu)建RISC-V芯片創(chuàng)新生態(tài)，打造我國(guó)自己的芯片和架構(gòu)。

多年來(lái)，由ARM公司主導(dǎo)的ARM架構(gòu)、與英特爾主導(dǎo)的X86架構(gòu)是全球芯片領(lǐng)域的主流架構(gòu)。隨著人工智能等前沿科技發(fā)展，這些老牌的主流架構(gòu)開(kāi)始面臨眾多挑戰(zhàn)，不少科技巨頭紛紛轉(zhuǎn)向RISC-V架構(gòu)。RISC-V因其靈活、精簡(jiǎn)、開(kāi)源等特性，成為全球芯片領(lǐng)域備受關(guān)注的架構(gòu)，也被視為中國(guó)芯的“新機(jī)遇”。

全球芯片領(lǐng)域主流架構(gòu)“兩極爭(zhēng)霸”的局面或許將會(huì)變?yōu)椤叭愣αⅰ钡男缕隆?

RISC-V突圍的故事，還是要從兩大巨頭如何形成開(kāi)始說(shuō)起。

初代芯片王朝的崛起

學(xué)過(guò)半導(dǎo)體的人都知道一句話，CPU的發(fā)展史簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是Intel公司的發(fā)展歷史。從1971年，Intel推出了世界上第一款微處理器至今，CPU的發(fā)展已經(jīng)有近五十多年的歷史。而Intel在CPU發(fā)展前進(jìn)的每一步上都留下了濃墨重彩的一筆。

1968年，戈登·摩爾和羅伯特·諾伊斯在硅谷創(chuàng)辦了Intel公司。戈登·摩爾，正是大家所熟知的“摩爾定律”的提出者。

1971年，世界上第一塊微處理器4004在Intel公司誕生了，片內(nèi)集成了2250個(gè)晶體管，晶體管之間的距離是10微米，能夠處理4bit的數(shù)據(jù)，每秒運(yùn)算6萬(wàn)次，頻率為108KHZ，前端總線為0.74MHz （4bit）。

沒(méi)有微處理器，個(gè)人計(jì)算機(jī)就不可能出現(xiàn)，而沒(méi)有個(gè)人計(jì)算機(jī)，就不可能有后來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)革命?？梢哉f(shuō)，微處理器的出現(xiàn)，改變了整個(gè)世界。

1978年6月8日，Intel生產(chǎn)出了世界上第一款16位的微處理器并命名為“i8086”。

i8086的出現(xiàn)也同時(shí)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代：X86架構(gòu)誕生了，它定義了芯片的基本使用規(guī)則。

X86架構(gòu)指的是CPU執(zhí)行的一些計(jì)算機(jī)語(yǔ)言指令集，由于Intel從8086開(kāi)始，此后升級(jí)的每一代芯片（例如80186、80286等）都用的同一種CPU架構(gòu)，所以人們將這些指令集統(tǒng)一稱之為X86指令集，也就是所說(shuō)的X86架構(gòu)。

1981年使用X86架構(gòu)的8088芯片首次用于IBM PC機(jī)中，開(kāi)創(chuàng)了全新的微機(jī)時(shí)代，也就是大家熟知的個(gè)人PC時(shí)代。

1993年，Intel推出了奔騰處理器Pentium。Pentium是x86系列一大革新。其中晶體管數(shù)大幅提高、增強(qiáng)了浮點(diǎn)運(yùn)算功能、并把十年未變的工作電壓降至3.3V。這樣不僅可以大幅減少功耗，也讓性能有了新的突破。

奔騰處理器的誕生，讓Intel公司甩掉了只會(huì)做低性能處理器的帽子，其運(yùn)行速度達(dá)到工作站處理器的水平。Intel一舉超過(guò)所有日本半導(dǎo)體公司，坐上了半導(dǎo)體行業(yè)的頭把交椅。

此后，以Intel、AMD等公司為代表的X86架構(gòu)芯片遍橫掃世界，統(tǒng)治了個(gè)人PC與服務(wù)器時(shí)代，書(shū)寫(xiě)著王朝的史詩(shī)。

王朝演替，各據(jù)半壁江山

技術(shù)決定能否提供需求，而需求也決定了技術(shù)發(fā)展的方向。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)電腦等大型設(shè)備需求降低，對(duì)手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備需求顯著提升，在這個(gè)需求變革契機(jī)，另一巨頭ARM顯現(xiàn)出來(lái)，開(kāi)啟了自己的傳奇。

1981年，電子設(shè)備設(shè)計(jì)和制造公司Acorn迎來(lái)了一個(gè)難得的機(jī)遇，英國(guó)廣播公司BBC打算在整個(gè)英國(guó)播放一套提高電腦普及水平的節(jié)目，他們希望Acorn公司能生產(chǎn)一款與之配套的電腦。

接下這個(gè)任務(wù)之后，Acorn公司就開(kāi)始干了起來(lái)。很快他們就發(fā)現(xiàn)，自己產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)并不能滿足需求。當(dāng)時(shí)CPU的發(fā)展潮流，正在從8位變成16位，性能正在大幅提升。Acorn自己并不能制造生產(chǎn)芯片，他們只能去尋找其他廠商合適的芯片。

一開(kāi)始，他們打算使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體和摩托羅拉公司的16位芯片。但是，經(jīng)過(guò)評(píng)估后，他們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)缺陷：第一，芯片的執(zhí)行速度有點(diǎn)慢，中斷的響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)。第二，售價(jià)太貴，一臺(tái)500英鎊的電腦，處理器芯片就占到100英鎊。

于是他們打算去找當(dāng)時(shí)如日中天的Intel，希望對(duì)方提供當(dāng)時(shí)代表最先進(jìn)技術(shù)的80286處理器的設(shè)計(jì)資料和樣品，但是，卻遭到了拒絕。無(wú)奈下Acorn公司只能自己造芯片。

經(jīng)過(guò)多年的奮斗，Acorn最終完成了CPU的設(shè)計(jì)。對(duì)于這塊芯片，Acorn給它命名為Acorn RISC Machine。這也就是這就是大名鼎鼎的“ARM”三個(gè)字母的由來(lái)。后來(lái)的ARM架構(gòu)，指的也是設(shè)計(jì)這款芯片時(shí)采用的架構(gòu)。

1985年，Acorn研發(fā)出來(lái)的第一款處理器芯片的型號(hào)，被定為 ARM1。但是，就在同一年，1985年10月，英特爾發(fā)布了80386。在80386面前，ARM1顯得弱小不堪。在ARM1之后，Acorn陸續(xù)推出了好幾個(gè)系列，例如ARM2，ARM3。

1990年，Acorn公司正式改組為ARM計(jì)算機(jī)公司——Advanced RISC Machines（雖然縮寫(xiě)相同，但ARM芯片是Acorn RISC Machine的縮寫(xiě)）。ARM公司是Acorn、蘋(píng)果、諾基亞、VLSI、Technology等公司的合資企業(yè)。

雖然Intel持續(xù)邁向X86高效能設(shè)計(jì)，而ARM則專(zhuān)注于低成本、低功耗的研發(fā)方向。兩者看似有著不同的方向，但在Intel強(qiáng)大的統(tǒng)治下，ARM并不好過(guò)。

在這個(gè)情況下，ARM決定改變他們的產(chǎn)品策略，他們不再生產(chǎn)芯片，轉(zhuǎn)而以IP授權(quán)的商業(yè)模式，將芯片設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)讓給其他公司。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，ARM不再像Intel一樣，一顆芯片的設(shè)計(jì)、制作、封裝都由自己來(lái)完成，它相當(dāng)于出售自己的“設(shè)計(jì)圖紙”，剩下的由購(gòu)買(mǎi)方自己去完成。

沒(méi)想到正是這種模式，開(kāi)創(chuàng)了屬于ARM的全新時(shí)代。

1991年，ARM將產(chǎn)品授權(quán)給英國(guó)GEC Plessey半導(dǎo)體公司。

1993年，ARM將產(chǎn)品授權(quán)給Cirrus Logic和德州儀器（Texas Instruments，TI）。

與德州儀器的合作，給ARM公司帶來(lái)了重要的突破。而且，也給ARM公司樹(shù)立了聲譽(yù)，證實(shí)了授權(quán)模式的可行性。

此后，越來(lái)越多的公司參與到這種授權(quán)模式中，與ARM建立了合作關(guān)系。其中就包括三星、夏普等公司。

因?yàn)槭謾C(jī)不需要像電腦那樣強(qiáng)大的性能，它們更需要便捷性與低功耗，所以手機(jī)廠商不需要X86架構(gòu)那樣強(qiáng)大的性能，因此大量使用ARM架構(gòu)去設(shè)計(jì)，隨著移動(dòng)手機(jī)井噴式的增長(zhǎng)，ARM架構(gòu)也隨之水漲船高。

2007年，真正的劃時(shí)代產(chǎn)品出現(xiàn)了。那就是iPhone。

蘋(píng)果iPhone的出現(xiàn)，徹底顛覆了移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)，開(kāi)啟了全新的時(shí)代。第一代iPhone，使用了ARM設(shè)計(jì)、三星制造的芯片。

iphone的熱銷(xiāo)，App Store的迅速崛起，讓全球移動(dòng)應(yīng)用徹底綁定在ARM指令集上。緊接著，2008年，谷歌推出了Android（安卓）系統(tǒng)，也是基于ARM指令集。

至此，智能手機(jī)進(jìn)入了飛速發(fā)展階段，ARM也因此奠定了在智能手機(jī)市場(chǎng)的霸主地位。

2011年，就連傳統(tǒng)Wintel聯(lián)盟（windows+intel）的微軟，也宣布Windows8平臺(tái)將正式支持ARM架構(gòu)處理器。這是計(jì)算機(jī)工業(yè)發(fā)展歷史上的一件大事，標(biāo)志著X86架構(gòu)處理器的主導(dǎo)地位發(fā)生動(dòng)搖，也標(biāo)志著ARM架構(gòu)處理器正式成為另一新的巨頭。

巨頭弊端顯現(xiàn)，夾縫中殺出的RISC-V

兩大巨頭，一個(gè)演繹著PC時(shí)代的神話，一個(gè)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代稱霸。兩種不同架構(gòu)各有側(cè)重。可以說(shuō)是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、無(wú)法替代的關(guān)系。

而在下一個(gè)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，他們是否還能繼續(xù)穩(wěn)穩(wěn)坐在第一的位置上？

CISC(復(fù)雜指令集)和RISC(精簡(jiǎn)指令集)是當(dāng)前CPU的兩種架構(gòu)分別采用的指令集。X86架構(gòu)采用CISC，ARM架構(gòu)采用RISC。

從性能上看，X86架構(gòu)的芯片，無(wú)論如何都比ARM架構(gòu)的芯片在更快、更強(qiáng)。

X86架構(gòu)的CPU運(yùn)行起來(lái)，隨便就是1G以上的運(yùn)行內(nèi)存，并可以采用雙核、四核等模式來(lái)加強(qiáng)性能，通常使用45nm（甚至更高級(jí)）制程的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。而ARM架構(gòu)方面：CPU通常是幾百兆的運(yùn)行內(nèi)存，最近才出現(xiàn)1G左右的CPU，制程通常使用不到65nm制程的工藝。

可以說(shuō)，在性能和生產(chǎn)工藝方面ARM架構(gòu)根本不是X86架構(gòu)的對(duì)手。

但ARM架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)不在于性能強(qiáng)大而在于效率，ARM架構(gòu)采用RISC流水線指令集，在完成綜合性工作方面處于劣勢(shì)，但在一些任務(wù)相對(duì)固定的應(yīng)用場(chǎng)合其優(yōu)勢(shì)就能發(fā)揮得淋漓盡致。

從拓展能力來(lái)看，X86架構(gòu)的設(shè)備采用“橋”的方式與擴(kuò)展設(shè)備，如硬盤(pán)、內(nèi)存等，進(jìn)行連接，而且X86架構(gòu)的設(shè)備出現(xiàn)了近30年，其配套擴(kuò)展的設(shè)備種類(lèi)多、價(jià)格也比較便宜，所以X86架構(gòu)的電腦能很容易進(jìn)行性能擴(kuò)展，如增加內(nèi)存、硬盤(pán)等。

ARM架構(gòu)的設(shè)備是通過(guò)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行連接，所以ARM的存儲(chǔ)、內(nèi)存等性能擴(kuò)展難以進(jìn)行，一般在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)定好其內(nèi)存及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量，所以采用ARM架構(gòu)的系統(tǒng)，一般不考慮擴(kuò)展?；痉钚小皦蛴镁秃谩薄钡脑瓌t。

從功耗來(lái)看，高功耗導(dǎo)致了一系列X86架構(gòu)無(wú)法解決的問(wèn)題出現(xiàn)：系統(tǒng)的續(xù)航能力弱、體積無(wú)法縮小、穩(wěn)定性差、對(duì)使用環(huán)境要求高等問(wèn)題。從這里我們可以發(fā)現(xiàn)X86架構(gòu)與ARM架構(gòu)是在兩個(gè)完全不同領(lǐng)域方面的應(yīng)用，它們之間根本不存在替換性。

在服務(wù)器、工作站以及其他高性能運(yùn)算等應(yīng)用方面，可以不考慮功耗和使用環(huán)境等條件，這時(shí)X86架構(gòu)占了優(yōu)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務(wù)固定的情況下ARM架構(gòu)就占有很大的優(yōu)勢(shì)，在手持式移動(dòng)終端領(lǐng)域，X86架構(gòu)的功耗更使其毫無(wú)用武之地。

相比于X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)，RISC-V架構(gòu)顯得有點(diǎn)名不見(jiàn)經(jīng)傳。

RISC-V，一般念做：riskfive。V，就是羅馬數(shù)字5。

很多人提到RISC-V，都會(huì)說(shuō)它是開(kāi)源芯片。其實(shí)這種說(shuō)法不是很準(zhǔn)確。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，RISC-V是一個(gè)基于“RISC（精簡(jiǎn)指令集）”原則的開(kāi)源指令集架構(gòu)，是RISC架構(gòu)的子集。

既然是RISC架構(gòu)的子集，那么它為什么敢挑戰(zhàn)兩大架構(gòu)的地位？

其實(shí)這與芯片行業(yè)目前的格局與發(fā)展方向有關(guān)。

現(xiàn)如今，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)希望生產(chǎn)和制造服務(wù)于各個(gè)垂直行業(yè)的終端和模組。

但X86架構(gòu)一直是Intel和AMD兩家公司掌握的封閉性技術(shù)，沒(méi)有明確的知識(shí)產(chǎn)權(quán)授權(quán)模式。而ARM架構(gòu)則需要上億高昂的授權(quán)費(fèi)用。這都使得中小企業(yè)、創(chuàng)新企業(yè)望而卻步。

這時(shí)，RISC-V出現(xiàn)在了人們的視野。RISC-V基于小型、快速、低功耗等現(xiàn)實(shí)情況設(shè)計(jì)，而且其設(shè)計(jì)者也并沒(méi)有對(duì)特定的微架構(gòu)進(jìn)行過(guò)度的設(shè)計(jì)，恰巧可以滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代傳感器：低性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低功耗的需求。

突圍成功還是失敗

RISC-V的眾多優(yōu)點(diǎn)是可以看得到的，RISC-V架構(gòu)采用的開(kāi)源方式，其指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售RISC-V芯片和軟件而不必支付給任何公司專(zhuān)利費(fèi)。

雖然這不是第一個(gè)開(kāi)源指令集，但它具有重要的意義：RISC-V的設(shè)計(jì)可以完全適用于現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備（如倉(cāng)庫(kù)規(guī)模云計(jì)算機(jī)、高端移動(dòng)電話和微小嵌入式系統(tǒng)）；設(shè)計(jì)者考慮了不同用途的性能與功率效率；RISC-V還擁有眾多支持軟件，這解決了新指令集通常的弱點(diǎn)。

中國(guó)工程院院士倪光南多次在公開(kāi)演講中表示，RISC-V的優(yōu)勢(shì)，在于其包含了CPU發(fā)展過(guò)程中優(yōu)秀的創(chuàng)新點(diǎn)，在技術(shù)上非常完備。因?yàn)椤澳贻p”，它不僅非常精簡(jiǎn)，而且沒(méi)有所謂的“歷史包袱”。比如，一個(gè)技術(shù)手冊(cè)，由于ARM和英特爾都需要與自己的上一代產(chǎn)品兼容，可能需要2000多頁(yè)，而RISC-V卻只需要幾百頁(yè)。

但倪光南院士也給出幾點(diǎn)警示，對(duì)于移動(dòng)端和 PC 端市場(chǎng)而言，RISC-V 的生態(tài)遠(yuǎn)未成熟到與英特爾、ARM 等“王朝元老”相匹敵的地步。

首先RISC-V架構(gòu)開(kāi)源規(guī)則本身有一定的局限性。RISC-V強(qiáng)調(diào)完全開(kāi)源的設(shè)計(jì)，并且讓取用者可任意加上專(zhuān)屬指令集，甚至可以自由選擇將架構(gòu)封閉還是維持開(kāi)源。這樣就導(dǎo)致了 RISC-V架構(gòu)可能出現(xiàn)，雖然擁有更多的指令集，卻無(wú)法共用的問(wèn)題。

當(dāng)各個(gè)公司做出具有本身公司特色的芯片時(shí)，如果他們選擇將自己的專(zhuān)屬指令集保密，那么若干年后，很可能出現(xiàn)芯片互不兼容的情況，而這樣的碎片化問(wèn)題往往是不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的。

就像Android（安卓）系統(tǒng)本身是一個(gè)開(kāi)源的系統(tǒng)，但經(jīng)過(guò)華為、小米、OPPO等廠商各自開(kāi)發(fā)成自己的系統(tǒng)之后，就變得不在互相兼容了，這也是RISC-V架構(gòu)開(kāi)源規(guī)則本身的局限性。

此外，RISC-V架構(gòu)生態(tài)欠缺。目前，英特爾推動(dòng)的x86架構(gòu)市場(chǎng)依舊龐大，幾乎從傳統(tǒng)PC 到數(shù)據(jù)中心規(guī)模的服務(wù)器都在使用基于x86架構(gòu)的處理器，同時(shí)相關(guān)軟件帶動(dòng)的應(yīng)用服務(wù)也有長(zhǎng)達(dá)40年的優(yōu)化發(fā)展歷史。

對(duì)于ARM架構(gòu)已產(chǎn)生的龐大市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模，RISC-V架構(gòu)更加難以取代，而且ARM的IP授權(quán)模式已經(jīng)趨于完善，盡管授權(quán)費(fèi)用高昂，但各大廠商依舊樂(lè)此不疲，例如我國(guó)華為海思、展訊、中興、全志等芯片皆是采用ARM架構(gòu)。

雖然RISC-V架構(gòu)剛剛起步，還面臨著眾多不確定性，但從1958年集成電路發(fā)明以來(lái)，我們也看到了整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)生了多次的變遷，無(wú)論是市場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，還是技術(shù)的創(chuàng)新，行業(yè)一直在帶給我們驚喜。

RISC-V架構(gòu)具有簡(jiǎn)單和靈活的特性，非常適合部署到物聯(lián)網(wǎng)、控制器、數(shù)據(jù)中心的專(zhuān)用芯片和邊緣計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景，具有廣大前景。未來(lái)，希望具備“得天獨(dú)厚”優(yōu)勢(shì)的 RISC-V能隨著我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)而大放異彩，成為趕超歐美的新動(dòng)力。