关于RISC-V和开源处理器的解读

智能计算芯世界 2021-03-13 00:00

构建AI未来，Arm计算平台无处不在 如何提升高压系统的实时性能?

近日，网络上出现对RISC-V与开源处理器存在误读的文章，让一些读者产生困惑。本文将对处理器的指令集、微架构实现与开源模式等概念以及和RISC-V的联系等进行解读，希望能帮助广大读者更好地理解RISC-V与开源处理器。以下为几个要点：

指令集规范（Specification）和处理器实现（Implementation）是两个不同层次的概念，要区分开。指令集（ISA）是规范标准，往往用一本书或几张纸来记录描述，而处理器实现是基于指令集规范完成的源代码。RISC-V是一个指令集规范。
我们可以基于x86/ARM/ RISC-V指令集，进行处理器微架构设计和实现形成源代码，并通过流片最终形成芯片产品。其中指令集规范与处理器实现的知识产权是独立的，不能混为一谈。（详见第二、三节）
“RISC-V是开源的”表示指令集规范是开源、开放和免费的（open and free），这与x86与ARM指令集有本质不同，但并不是指具体的处理器实现也都是开源免费的。
基于RISC-V指令集规范，既可以由开源社区来开发开源免费版的处理器实现（如Berkeley开发的Rocket核等），也可以有商业公司开发收费授权版的处理器实现（如国内平头哥玄铁910、芯来N200核与优矽渭河WH-32核等）。（详见第三节）

关于RISC-V和开源处理器架构，请参考开放指令集与开源芯片发展报告（RISC-V和MPIS）

下载链接：开放指令集与开源芯片发展报告

一、关于近期一篇网络文章的分析

近日，网络上出现一篇文章《RISC-V董事长摊牌了，RISC-V不是开源处理器》，对RISC-V与开源处理器存在一些误读，让一些读者产生困惑。以下针对该文中提到的一些观点进行解读：

疑问1：文中提到“RISC-V基金会主席Krste Asanovic澄清了‘RISC-V不是开源的’”，是否属实？

Krste Asanovic 在文章中阐述的是：a）RISC-V是指令集，不是处理器；b）RISC-V不止可以用来做开源处理器，也可以做商用处理器。

而 “RISC-V是开源的”这一点从始至终没有改变。一般人对于“开源”的理解，就是公开可获得并且可以免费使用的代码或资料。从这个角度来讲，RISC-V作为一套指令集规范，虽然没有源代码，但它本身确实是开放并且免费的（open and free），这无论对于开源的RISC-V处理器，还是商用的RISC-V处理器都是一样。所以”RISC-V是开源的”这个结论是没有疑问的。

此外，RISC-V不仅本身开源，其与整个开源芯片生态的关系也非常紧密。虽不能说所有基于RISC-V的项目都是开源的（其中一部分是做商用处理器和软件的），但至少都是深度参与和使用开源（处理器芯片或软件）的，甚至可以说RISC-V在特定场景下可以代表整个开源芯片生态。

疑问2：基于RISC-V设计的处理器，是否以后需要付费使用呢？

作为一个开放自由免费的指令集，RISC-V支持多种模式的微结构设计（详见本文第三节）。人们既可以基于RISC-V做开源处理器设计，也可以做成商用的处理器（不开源出来，自己卖或者用）。正是RISC-V开放自由的特性，成就了芯片产业的百家争鸣。RISC-V基金会只负责RISC-V指令集规范，既不做微架构设计，也不生产芯片。设计和生产什么样的芯片是其它企业来做的，跟基金会没有关系，开不开源，收不收钱，也跟基金会没关系。

Krste Asanovic 只是想告诉大家，RISC-V不止可以做开源处理器，也可以做商业处理器，并非所有的RISC-V处理器都是开源免费的（注：这里的开源和商业只是从是否开放和收费上来说的，两者性能是可以做到等同的）。

疑问3：RISC-V源于美国，是否有被管制的风险？

RISC-V指令集是一套开放开源、自由免费的接口规范，并不会受美国管制的影响。但是，基于RISC-V开发的处理器是以商品形式存在的，故而美国企业研制的RISC-V处理器会受到美国出口管制。而美国以外的企业（包括欧洲、中国等）自主研制的RISC-V处理器，则不算是美国商品，故不受美国出口管制条例限制。举例如平头哥自研的RISC-V处理器玄铁910，便不受美国的出口管制影响。

此外，历史上TCP/IP协议与如今的RISC-V颇为相似。TCP/IP协议受美国国防部高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）资助研发，是开放标准的典范。世界各地基于该协议构建起今天连接几十亿人的Internet，而中国基于TCP/IP协议构建网络，这并没有受到美国的出口管制；中国企业基于TCP/IP研制的交换机与路由器，也并不受到美国的出口管制。

最后，2019年11月RISC-V基金会宣布将会把总部搬到瑞士，也正是在释放信息，向全世界传达RISC-V坚持开放自由、坚持为全世界服务的理念。

二、什么是指令集，指令集有什么作用？

指令集（ISA）：指令集是软件和硬件之间的接口，是一套标准规范（以文档的形式发布），并不具备实体，我们可以根据这套规范去设计处理器芯片和对应的软件系统，并最终形成产品。常见指令集如x86（常见于桌面和服务器）、ARM（常见于移动嵌入式、手机平板等）、RISC-V（异军突起的开放指令集）等。

图1 指令集是软硬件之间的接口

软件和硬件的关系恰如螺母和螺钉。把软件看做是螺母，硬件看做螺钉，那么指令集（ISA）就是螺母和螺钉之间对接的尺寸规范。螺母和螺钉都按照相同的尺寸（也就是同一个规范)去设计，即使是由不同的厂商来生产，也可以保证最终所有的螺母都能拧到螺钉上。

如图1所示，指令集向上承载的是整个软件生态，向下则规范了以处理器芯片为代表的整个硬件生态。根据一份指令集规范，设计一款处理器，其上可以运行同样遵循该指令集规范所编写的软件代码。故而，我们在提到指令集的时候，有时候也指的是其背后的整个软硬件生态系统，包括外围芯片、操作系统、编译器和诸多应用软件（浏览器、游戏软件等）。事实证明，每一种芯片在市场竞争中要取得成功，很大程度上取决于其生态系统。

三、RISC-V和开源处理器之间是什么关系？

首先，一个处理器芯片包含了三个层次：指令集(ISA)、微结构设计、产品。

指令集(ISA)，是规范标准(Specification)，常用一本书或几张纸来记录描述；
微结构设计，也常被称为处理器实现(Implementation)，是对具体实现，对应的是一种设计方法及其源代码；
产品，是微架构设计的实例化，比如华为基于ARM指令集和Cotex-A76微架构，设计了麒麟990这款芯片。

严格意义上来讲，“开源”，是“开放源代码”的缩写，而指令集只是几张纸，是没有源代码的。我们通常提到的开源处理器，是指的微架构设计的代码开源。

如图2，进一步将指令集标准与架构设计都分为三类：开放免费（Open & Free）、可授权（Licensiable）、封闭（Closed）。于是，我们可以看到，Intel就属于封闭指令集+封闭设计，ARM属于可授权指令集+可授权设计，但要获得授权价格不菲，往往需要上百万甚至数千万美元 [5]。

RISC-V为全世界提供了开放免费指令集+开放免费设计的选择。根据图2的第一行，我们可以知道只有先有了开源开放的指令集，才有可能有开源开放的微架构设计，即绿色格子。需要强调的是RISC-V本身是一种标准规范，和C/C++语言规范、POSIX系统调用等这些标准是一样的。本身是开放的，谁都可以基于这些标准来实现自己的处理器。但有一点需要厘清的是，即使都是基于开源开放指令集（比如RISC-V），也存在三种不同的商业模式，分析图3第一行，开放免费的指令集(RISC-V)包含了三种模式的微架构设计：

开源模式，Berkeley的Rocket Chip、剑桥大学的lowRISC、蜂鸟E203等RISC-V核将RTL级源码也开源，这些设计可归到绿色格子；
授权模式，SiFive公司、晶心科技Andes、阿里平头哥的RISC-V核是可以被授权给第三方使用，但不开源RTL级源码，属于黄色格子；
封闭模式，Google、NVIDIA等企业在内部大量使用RISC-V核作为MCU，但他们不对外开放IP以及源代码，这就属于红色格子。

综上，指令集是开源开放免费的，但是微架构设计既可以选择开源给大家（开源模式）；也可以选择收费后授权给其它公司去生产（授权模式）；也可以不往外授权，自己拿去生产（封闭模式）。RISC-V提供给了大家完全自由开放的选择。而这里开源模式的绿色格子，便是我们经常说的基于RISC-V的开源处理器设计。

四、为何要做开源处理器？

开源处理器项目的重要性是毋庸置疑的，它将极大降低芯片开发的周期和门槛，使得大家可以专注于增量创新，而不用从头去探索构建一颗芯片，加快迭代周期，并且借助RISC-V的软件生态快速推出市场。研发新的开源处理器项目，设定开源主线，获得更多技术和生态上的优势，对提升国内RISC-V各企业在国际RISC-V产业界的话语权和主导权，至关重要。

下载链接：开放指令集与开源芯片发展报告

参考来源：http://crva.ict.ac.cn/?page_id=540

推荐阅读：GPU研究框架（附下载）