Risc-V 前景如何？会形成与 x86ARM 三分天下的局面吗？

Posted 2023-01-26 CSDN资讯

本文来自中国科学院计算技术研究所研究员包元岗在知乎上回复的一篇答贴，经作者本人授权，我们发布在此，以飨读者。

内容一共包含 4 个部分，分别是：RISC-V 的定位、RISC-V 发展态势、开源芯片与实践、未来展望。

一、RISC-V的定位

RISC-V是一种指令集，并不是一种处理器的实现。指令集是一种标准规范，就相当于是大家的一个约定。遵循同一个标准规范，不同厂商生产的软件和硬件就能在一起工作，就跟螺钉螺母的尺寸规范一样。

有了指令集标准规范，最重要的就是芯片设计。根据指令集来去完成微架构的设计，形成文档，然后通过工程开发形成源代码，之后再用EDA软件形成芯片版图，交给台积电或中芯国际这些代工厂去流片。在这个过程中，微架构的设计和实现非常重要，是芯片设计的核心能力。当我们具备微架构设计和实现能力后，将不再受限于指令集。换句话讲，当我们具备了这样的能力，那么更换一种指令集也是一件很容易的事情。

以英特尔为例，在过去几十年，英特尔处理器的微架构不断演进，处理器的性能也在不断地提升。那么，性能提升的原因到底是什么呢？有人说是因为指令集的增加，实际上这并不是全部原因，虽然指令集的增加对性能提升有一定帮助，但更重要的是，英特尔处理器微架构和工艺的不断演进。我们可以看到，95年的P6架构在微架构上面的一些演进，到2000年及2006年，大概每五年一代架构演进中，不断地在微架构层面上进行优化，这正是英特尔核心的设计能力。

所以从这个角度来看，指令集在某种程度上并不是那么重要，因为它只是一种标准规范，更关键的还是微架构的设计和实现能力，因为它决定了一颗芯片的性能、功耗和面积。例如，苹果公司在过去几十年更换了多个指令集，从摩托罗拉到英特尔、到PowerPC、再到今天的Arm。但由于苹果自身的垂直协同设计能力很强，所以更换指令集对他们而言并不是一件太难的事情。国内的龙芯公司，也因为具备很强的芯片设计能力，所以当从MIPS指令集更换到longArch指令集时，底层的微架构设计也几乎不用做太多改变。国内还有一些企业，他们同时支持Arm和RISC-V，也是因为底层的微架构设计并不需要大的变化就可以支持不同的指令集。但是从另一个角度来看，指令集对于软件生态却是非常重要的，它会决定软件生态开发的效率。以IBM为例，早年的IBM计算机，每个型号的计算机指令集都是独立的，导致要为不同型号的计算机开发不同的软件，投入特别大，且软件和硬件捆绑在一起，成了硬件的附属品。1964年IBM推出的System/360计算机改变了这个格局，形成了统一的指令集，从而计算机软件和硬件可以分离开，甚至逐渐发展出一个独立的软件产业。从这个角度来看，统一的指令集对软件生态具有非常重大的影响。

但是，在过去的几十年时间里，指令集均属于公司私有，比如对于ARM指令集，哪怕其他企业具备芯片微架构设计能力，也需要获得ARM授权才能研发兼容ARM指令集的芯片。2010年加州大学伯克利分校David Patterson教授团队提出一个口号——“指令集应该免费”，立刻得到全世界的认可，这也是今天RISC-V能够蓬勃发展的一个核心理念。也正因为指令集不再属于某一个公司，那么全世界可以共同去建设，于是形成了一种新的处理器生态构建模式——开源、开放、共享。

共建模式的核心就在于把标准规范和产品实现进行分离。这类似于通信领域，例如5G标准规范由3GPP组织负责制定，并不是由一个公司私有，而各个企业可以根据5G标准去做自己的产品，在开放的模式下去竞争。类似地，RISC-V也带来了这样的新机会，指令集的标准由RISC-V国际基金会来制定，基于这个标准，不同国家的不同企业都可以来研制不同的RISC-V产品，例如，美国的Sifive公司的RISC-V产品、国内阿里平头哥的玄铁RISC-V处理器、以及中科院在开发的香山处理器。

这为我们国家的处理器发展带来了一种新模式，即“5G模式”。在过去20多年，我们国内的处理器发展模式，主要有“高铁模式”和“北斗模式”。高铁模式就是引进-消化-吸收-再创新，代表企业有海光、海思和飞腾；北斗模式以龙芯、申威为代表，独立构建技术体系和生态。而“5G模式”则是在开放的框架下去竞争和合作，面向国际市场和生态建设。

关于RISC-V，实际上一直存在很多的争议，或者说是误解。所以最近David Patterson教授写了一篇文章来纠正关于RISC-V的一些谬误。第一个谬误，RISC-V是一个开源处理器,就像linux是一个开源操系统。其实，这确实是很多人的认识，但实际上RISC-V不是一个开源处理器，它是一种标准规范,本质上是一本手册,就像我们经常听到的以太网标准、USB标准等，而linux操作系统实际上是一种源代码实现。所以这两个是不一样的。相应地，RISC-V国际基金会就像是一个制定标准规范的工作组。

第二个谬误是说，有人认为选择成熟封闭的指令集要比选择开放的指令集更安全可靠。David Patterson教授认为这也是一个谬误，因为封闭指令集属于公司，那么就会和公司的命运紧密绑定。如果公司不景气，该公司的指令集就会消失。历史上消失的指令已经很多了，包括像曾经一度流行的DEC VAX和DEC Alpha指令集。此外，封闭指令集也未必稳定，MIPS曾经卖给了六个企业，ARM也有三个东家，而更换一个东家就意味着商业模式可能会发生变化。第三个谬误说，封闭的指令集是没有碎片化软件生态的，这一点其实也是一个误区。实际上，我们可以看到，封闭指令集会在其生命周期中遭受过无法预见的不兼容问题。例如，即使在ARM一个体系下，也会出现不兼容的情况：ARMv1到ARMv7使用32位地址空间，但它们与同时提供32位和64位地址版本的ARMv8-a，而ARMv8-a和ARMv8-m也存在不兼容。所以，碎片化在某种程度上其实是一种常态。第四个谬误说，相对于封闭指令集，RISC-V的模块化导致了更加碎片化的软件生态。在这一点上，RISC-V技术工作组已经在提供一些新的机制，比如Profile配置机制，来规范软件生态，从而使软件不会像想象得那么碎片化。最后一个谬误其实是一个观点结论，即很多人认为RISC-V不可能成为主流指令集。但在技术上，RISC-V是可以去支持从嵌入式到超级计算机领域的；在商业上，像这种更加开放的标准，会更有生命力。上述的一些说法，就是对RISC-V的定位和认识。

二、RISC-V发展态势

下面，我们来看一看RISC-V发展的趋势。实际上,刚刚提到的RISC-V国际基金会，主要负责RISC-V标准的制定，不负责RISC-V芯片的具体实现，因此和Linux开源社区并不同。目前，在全球已经有70多国家、3000多个会员加入到RISC-V国际基金会，而且前几年每年都以超过100%的速度在增长。在RISC-V国际基金会里，从国家分布情况来看，中美欧并驾齐驱。我们国内企业的参与度非常高，在RISC-V国际基金会高级会员中，有14个国内企业是高级会员；在全球24个理事中，其中有9个成员是来自中国；还有一些技术发展伙伴，中国的机构和企业也在积极参与。我们可以看到RISC-V发展的一些新态势。第一个是RISC-V已经开始往高性能领域发展了。我们以前都觉得RISC-V主要是在嵌入式领域，但实际上在最近这几年，已经出现了一批RISC-V高性能处理器实现,代表企业有硅谷的Sifive、Ventana，在技术上有一定优势，国内还有香山处理器，以及上海赛昉。

例如，SiFive近期推出高达3.4GHz的RISC-V处理器，性能可以对标ARM A78，是一个相当高性能的处理器。对比国内来看，在研发进度上，这款设计领先国内的香山大概一年左右。但是香山也有它的优势，因为香山通过开源开放的模式联合多个企业一起来研发，可以更快地迭代，同时通过分摊降低成本。

第二个趋势，RISC-V关键软件生态的发展也是非常迅速。一方面，RISC-V国际基金会在积极推动基础软件的适配工作；另一方面，很多开源软件社区也在主动的适配，例如近期安卓将RISC-V作为和ARM一样的一级(Tier-1)架构平台进行支持。这就使得全世界的软件力量也都在支持RISC-V生态的发展。

以Linux发行版Debian为例，开源社区于2019年开始支持RISC-V，在全世界开源社区的努力下，仅用3年时间就完成了2万多个软件包中93%的移植，使RISC-V成为Debian支持的一级(Tier-1)架构。

第三个趋势，RISC-V得到了越来越多企业的支持，除了刚才讲到的Sifive和Ventana这样的初创公司外，包括像英特尔这样的巨头也积极投入到RISC-V的生态建设当中。这里没有列举中国的企业，但实际上我们国内的企业参与度是更高的。

第四个趋势，我们可以看到一些国家在国家层面上在积极地推动或支持RISC-V。例如今年6月份，俄罗斯数字发展部宣布将大力扶持RISC-V处理器的发展。印度也在今年4月份启动了“数字印度RISC-V处理器”(DIR-V)发展规划，同时，印度的电子信息部（相当于我们国内的工信部）以部的名义加入了RISC-V国际基金会，并成为了高级会员。

此外，欧盟在今年的9月8号发布了《关于建立欧洲开源硬件、软件和RISC-V技术主权的建议和路线图》报告，支持RISC-V与开源硬件，尤其给出了九大优先发展关键方向，并给出了实施路径，包括建立非盈利机构来支持研发、实施教育政策和措施等等。由此可见，全世界都在积极投入RISC-V生态建设。

当然，在RISC-V生态建设上，中国处于第一梯队。尤其是2018年以来，我可以看到很多企业都在推出各种各样基于RISC-V的芯片产品。同时，地方政府也出台一系列政策。特别是北京政府，在RISC-V方面有很大的投入。

对RISC-V的发展态势做一个小结，那就是RISC-V应用正在全球快速地增长。今年上半年，RISC-V国际基金会做过一个统计，数据显示现在RISC-V的出货量已经超过一百亿颗，预计到2025年有望突破800亿颗。但是总体来讲，还是缺少一些里程碑的、标杆式的RISC-V应用。不过最近也看到一些新计划，比如欧盟计划投入2.7亿欧元来研制超级计算机。我们也可以看到RISC-V软件生态也在加速，多家美国企业在高性能处理器领域的投入比较大，总体处于领先地位。在国内，初创公司非常活跃，数量上也远大于美国，但目前还主要还集中在MCU级别。

三、开源芯片实践

下面简要介绍一下我们在开源芯片方面的一些实践，这也是得到中科院和北京市的大力支持。我们的目标是希望像构建开源软件一样去构建开源芯片生态。在这样的一个开源芯片生态下，有很多开源的硬件组件可以被充分复用，从而大幅降低构建一颗芯片的成本，进一步让更多的中小企业去释放他们的创新活力。

在这样的理念下，我们启动了香山开源高性能处理器核的研发，它的目标就是像Linux一样。所以，从这一点来看，香山和RISC-V并不在一个层次，RISC-V是一个标准规范，而香山是一个具体的实现。也就是说，RISC-V本身并不像Linux，但香山像Linux。我们希望把它变成一个像Linux那样的开源处理器主线，能够被工业界广泛应用，同时又可以支持学术界去做创新。

香山的特点在于它的源代码是开源的，同时开发香山的整个平台和工具也是开放的。用冰山做类比，芯片设计可看做是冰山水上面的部分，那冰山水下面的部分就是如何设计芯片所需要一系列的基础设施、测试及验证工具等。香山，就是要把所有的这些内容都开源开放，这样可以联合更多的企业来共同研发。

目前，我们已经完成了两代香山架构的设计，第一代叫“雁栖湖”，在今年年初已经流片回来，并达到了预期性能。第二代叫“南湖”，目前已经实现了对第一个客户的交付。南湖的性能是对标ARM A76的水平，我们还会继续迭代新的几个版本，并进行交付。

香山是一个通过开源模式来构建的芯片设计，得到了全世界开源社区的大力支持，从去年公开以来，香山在GitHub上非常活跃，是国际上最活跃的开源芯片项目之一。

现在，香山也得到了北京市的大力支持。在北京市和中科院支持下，有18家企业联合发起了北京开源芯片研究院（开芯院），主要对香山进行产品化改造和后续架构的探索。如今，香山不再是中科院的一个科研项目，它已经通过开芯院来落地，在企业支持下进行产品级、工业级改造，具备交付能力。

从性能对比图来看，目前香山在全世界的开源芯片中性能最高，在这个基础上，开芯院进一步确定了“两核”发展目标：第一个是经典核，能够适用于中高端工业、泛工业技术平台的处理器核，对标ARM A76；第二个核是高性能核，主要应用在高性能场景，比如数据中心、算力基础设施等，对标ARM N2。

目前，开芯院已经联合八家企业形成合作，并于今年8月24日启动第三代香山“昆明湖架构”的联合研发，形成了将约100人的研发团队，并分成了不同的工作组，形成了例会机制，针对每个技术点去不断地共同研发和迭代。

目前，经典核“南湖”（性能对标ARM A76），也在今年的11月30日实现了顺利交付,即按期交付了100%的RTL代码给第一个用户。在合作过程中，得到了这个用户的高度评价。说实话，他们一开始觉得这个项目是从中科院出来的，会不会仅仅是一个科研项目？而在紧密沟通的合作过程中，这个用户极大地增强了对香山项目的信心，并给予了高度的评价。接下来，开芯院在明年的2月份还会将南湖交付给第二个用户。

四、未来展望

最后看一下关于未来的一些展望。提到开源芯片，有人曾问开源芯片的未来有前景吗？对于这个问题，其实有一个很好的参考案例：IBM PC，即个人电脑。IBM在1981年推出了个人电脑，并且把所有的文档都进行了公开。今天我们还可以到网上找到IBM当年公开的这个文档，一共是396页。这个文档包含了所有的源代码、电路图以及各种寄存器的配置等。由此，带来了两个深远的影响：第一个影响是诞生了一批新兴的企业，像戴尔、康柏，以及国内的联想和长城等，因为它降低了个人电脑设计的门槛，使得很多企业都可以进入个人电脑领域找到企业发展的新空间。第二个影响是PC的价格和成本大幅降低，原来一台PC要将近一万美元,因为IBM的开源开放，PC售价降低到了1500美元，使得PC真正能进入到每家每户，并成就了一个新兴的PC市场。

开源芯片，有机会赋能一个更大的产业，即“人-机-物”融合的新兴IoT产业，而这产业规模更大。在过去几十年，面对不同的产业，不同的芯片企业是怎么去支撑的？我们发现一个有趣的现象，企业的模式越开放，所需要的资源越少，但撬动的产业却越来越大。比如，英特尔的模式是“IDM+销售芯片”，企业只能拿Intel的芯片做整机。这种模式可以看作是重资产模式，因此Intel需要有超过五百亿美元的营业额、上百亿美元的利润才能支撑PC产业。英伟达的模式比英特尔模式更加轻一些，采用的是“Fabless+销售芯片”，这种模式只要超过一百五十亿美元的营业额以及三十亿美元的利润就能去支撑AI产业。ARM采用的模式更轻，“Fabless+IP授权”，让其他企业去做芯片，于是ARM只需要二十亿美元左右的营业额、三亿美元的利润就能够撬动智能手机产业。我们研判，未来通过开源芯片，把IP、开发工具都进行实现开源开放，通过开芯院这样不追求利润的非盈利机构，通过众筹形成大约两亿美元左右研发经费，让技术持续迭代发展，那就有可能赋能一个更大的产业，让更多的企业具备根据场景需求快速定制芯片的能力。因此我们判断，开源芯片会有一个非常好的前景。

总结来看，开源芯片能够赋能新兴产业，同时开源芯片也是帮助我们去应对目前全球供应链安全问题的一个有效途径，是实现科技普惠世界的一种途径。

编