800亿颗！RISC-V的理想与坚持

进入2023年以来，随着技术完善度越来越高，参与者越来越多，RISC-V生态系统正呈现出一派欣欣向荣的景象，一股新的行业热潮扑面而来。

“预计到2025年，RISC-V内核数将增至800亿颗。凭借更好的处理器和生态系统，RISC-V架构将有望在未来两到三年内超越传统架构。”作为RISC–V指令集架构主要发明人，RISC-V国际基金会主席和SiFive共同创办人兼首席架构师，Krste Asanović教授提供的这一数据显然更具“风向标”意义，并且丝毫不令人感到意外。

RISC–V指令集架构主要发明人，RISC-V国际基金会主席和SiFive共同创办人兼首席架构师Krste Asanović教授

事实上，在2022年12月，RISC-V国际基金会就宣布RISC-V处理器在IoT的应用规模超100亿颗，此时，距离RISC-V在加州大学伯克利分校的实验室诞生仅仅过去了12年，而x86和Arm架构实现相同的出货规模却用了30年。更为重要的是，在这一过程中，中国公司的出货量占据了50%，在技术和应用上的贡献度越来越高。

来自中国的热情 

一直以来，“中国芯”都是一个很热的话题，政府、产业、基金、市场都非常有兴趣想去了解RISC-V指令集会给他们的产品和商业模式带来哪些影响。另一方面，芯片产业涉及的领域极广，从传感器、图像/音视频处理，到5G通信、人工智能，再到最顶层的CPU、GPU。然而从国内的实际情况来看，很多时候投资巨大，但投资效率不高，甚至事倍功半，所以当开源免费的RISC-V指令集出来之后，产业界自然对其抱有极大的期望。

中国工程院院士倪光南很早前就呼吁：“要把主要精力放在对RISC-V架构的研发上！”他曾在多个场合表示，基于RISC-V模块化、可扩展、易定制的优势，以及不受垄断制约、供应链安全容易保障的优势，中国有关厂商要全力提供具备强大算力的RISC-V芯片方案。

“毫不夸张地说，RISC-V是目前中国CPU领域最受欢迎的，中国芯片产业和整个芯片生态将会越来越多地聚焦于RISC-V架构，中国的巨大市场将成为支撑RISC-V的重要基地。”倪光南认为，RISC-V架构降低了企业进入芯片行业的门槛，符合未来万物智能时代的技术发展趋势，未来在世界主流CPU领域，将形成X86、ARM和RISC-V三分天下的格局。

平头哥生态与销售副总裁杨静对本刊表示，中国市场非常大，不少企业存在对定制处理器的需求，因此开源开放、精简灵活的RISC-V架构率先在中国市场取得了长足发展。在谈及RISC-V对中国半导体产业的意义时，杨静认为可以从三方面来看：一是必须要在发展初期积极参与，包括国际标准制定、技术发展方向探讨等；二是必须要与上下游厂商广泛合作，共建软硬一体发展生态；三是要由市场需求牵引，并经市场检验和消化，从而形成良性循环。

中国市场蕴藏的巨大潜力和迸发出的市场热情，同样让外资企业激动不已。

6月，在北京举行的SiFive RISC-V中国技术论坛上，根据《南华早报》的描述，“Krste Asanović教授受到了摇滚明星般的欢迎，来自中国的工程师和研究人员排起了长队等候与他合影。”SiFive企业营销与业务开发资深副总裁刚至坚在活动中表示，看到中国人工智能和电动汽车市场对半导体芯片的巨大需求后，SiFive已决定扩大在中国的团队和投资，以挖掘“中国市场的巨大机遇”。

Codasip战略与生态副总裁Mike Eftimakis在接受《电子工程专辑》采访时表示，中国市场对采用RISC-V架构有如此高的热情，确实令人欣喜。RISC-V的开放性和自主可控性，以及低成本和定制化的特性使得它越来越受到重视和欢迎，这是一个全球性的现象。

Codasip战略与生态副总裁Mike Eftimakis

得益于采用了开放代码指令集(ISA)架构，相比于其他闭源的商业性架构，RISC-V提供了更高的开放性和自主可控性，使得中国企业能够更加灵活地进行定制化开发，根据自身需求优化其设计，从而降低成本并提高性能，对于中国数量庞大的中小企业和初创公司来说，采用RISC-V意味着更多的发展机会和竞争优势。

同时，中国作为全球最大的半导体市场之一，具有庞大的需求和创新潜力，RISC-V的开放性和自主可控性与中国市场需求相契合，因此在中国市场迅速得到采用和推广。所以无论从技术还是商业角度来看，RISC-V在中国是有可能成功的，这对中国相关产业的意义十分巨大。

时机已经成熟了吗？

对于任何新技术，特别是一项开放标准，人们总是会问“时机已经成熟了吗？”这样的问题，Mike Eftimakis对此给出了肯定的答案。 

“在Codasip，我们甚至经常问这样一个问题：现在正是RISC-V被广泛采用来开发各种应用的黄金时代，不采用RISC-V是否风险太大？”他认为未来5年内，RISC-V除了继续在嵌入式系统和物联网领域大有作为外，也将在边缘计算、人工智能、汽车电子、自动驾驶行业中持续拓展，随着该技术和应用的继续演进，RISC-V定制化、定制计算、以及硬件/软件协同优化将成为新的趋势。

其实，在RISC-V出现之前，历史上出现过多种指令集架构，比如DEC(PDP-11、VAX、Alpha)、英特尔(i960、i860、Itanium)、IBM 360、MIPS、SPARC、Arm等等，各自命运跌宕起伏，一些开放架构在热闹了一阵之后又趋于沉寂，甚至是消亡。 

之所以会出现这样的情况，杨静分析称，指令集架构的成败与否，更重要的是看生态，从底层软件、工具链，到芯片、操作系统，再到上层应用和落地场景，软硬件生态越完善，企业越愿意采用，市场才会响应和认可，最终才能形成从研发到应用的良性循环。

另一方面，随着SoC规模的增大，内部指令集越来越碎片化，涉及应用处理器、图形处理器、图像处理器、无线电/音频DSP、安全处理和电源管理等多个领域，而且每个指令集还拥有独立的软件堆栈，复杂且缺乏灵活性。Krste Asanović教授认为这是不可取的，业界需要一个稳定、免费、开放的指令集，而这正是RISC-V诞生的背景。

“开放指令集架构的确不是什么新鲜事物，但是RISC-V能在短短几年内得到迅速发展，并且保持着持续快速发展的势头，这跟社区的支持、参与、自主创新和市场需求密不可分。”Mike Eftimakis指出，我们从那些消亡的ISA架构中得到教训之一，就是“它们并没有全心致力于取代现有的和成功的架构”。相比之下，RISC-V拥有一个强大且积极的全球社区，包括学术界、工业界和开发者社区等，这些人员的积极参与和共同努力推动了RISC-V的发展和标准化工作。

与此同时，RISC-V社区采用了开放、透明的决策过程，促进了合作和知识共享，这对于推动技术的发展和吸引更多的参与者非常重要。而在自主创新和市场需求方面，RISC-V的设计初衷是为了满足现代计算需求，它提供了灵活性、可定制性和可扩展性，可以满足各种应用场景的需求。

Krste Asanović教授强调，变化之所以发生，不仅仅是更快的运行速度和更低的功耗，而是因为新的商业模式改变了一切——人们可以首先选择ISA，然后选择供应商或构建自己的内核，无需获得许可即可添加自己的商业扩展，相关的学术和开源生态系统可以围绕单一开放标准进行整合和共享。

定制化芯片或成未来方向

另一个对RISC-V有利的趋势是半导体行业的商业模式正在改变，即大型商业公司开始减少对芯片公司标准器件的使用，转而致力于构建自己的差异化、定制化芯片系统，从苹果、亚马逊、谷歌、三星的手机、笔记本电脑和客户端产品，到谷歌、亚马逊、微软、Facebook、阿里巴巴的云服务器，再到汽车领域的特斯拉、Waymo、Cruise等，都是如此。

这是因为摩尔定律每年对通用型处理器性能的提升幅度，已经从1989-1999年的52%跌落到目前的3.5%甚至更低，芯片无论是从提升工艺还是从增加集成度方面来看，已经达到物理极限，“一颗芯片打天下的故事再也编不下去了”。后摩尔时代，如何提升硬件效率，实现架构创新，通过应用驱动芯片设计，成为定制化芯片诞生的三要素。

垂直领域的芯片定制化特点是针对应用领域做优化的处理器架构(DSA, Domain Specific Architecture)并形成核心技术，再借助软件工程及互联网概念，根据具体应用场景决定软件、协议栈和算法，实现从应用到芯片的全栈优化。Krste Asanović教授将其称之为“Vertical Semiconductor”(垂直半导体)时代，认为对于垂直设计团队而言，使用RISC-V可以避免当前SoC必须使用专有ISA造成的IP供应商碎片化影响。换句话说，当所有内核都是RISC-V架构时，强大的兼容性和通用的软件、工具栈将成为巨大优势。 

一个代表性的合作案例，是当SiFive 刚刚发布高性能应用处理器系列时，三星和高通就率先宣布与之合作，谷歌也采用SiFive Intelligence X280作为其TPU中的协处理器。而不久前由谷歌、Intel、高通、平头哥等13家企业发起的全球RISC-V软件生态计划“RISE Project”正在 RISC-V上加速Android的优化，这将为RISC-V带来Android的庞大生态优势创造条件。

Codasip方面也强调称，“未来在于定制计算”。为此，该公司不仅提供可定制的、经过验证的RISC-V IP，还提供包括处理器设计自动化工具Codasip Studio和CodAL(Codasip自有架构描述语言)在内的工具和语言，利用软/硬件协同优化和定制计算解决方案，以及强有力的方法论、工具和IP，充分解锁RISC-V作为开放标准的潜力。

整体来说，DSA往往与企业的计算需求直接相关，这是完全标准化的处理器难以满足的市场缺口，也给新兴架构RISC-V提供了新的机会。RISC-V软硬生态都在发展当中，更容易根据市场需求进行定制优化，由此发展出独具特色的核心技术，比如安全特性、AI运算、高能效等等。但能否经过市场验证从而形成技术研发与产品落地的良性循环，是DSA面临的挑战，这也依赖于整个RISC-V大生态的繁荣。

“碎片化”VS“多元化”

开源带来的“碎片化”是业界关注的另一个焦点。

Krste Asanović教授解释称，“碎片化”和“多元化”的本质区别在于，前者是以不同的方法做同样的事情，而后者是用不同的方法解决不同的问题。AIOT时代，需求越来越趋向差异化，只要控制得好，指令集碎片化的影响是可控的。

在杨静看来，“碎片化”是一个过程，从某种程度上说，“碎片化”同样是市场的活力体现，蕴含了巨大的机会。当然，作为一种标准，RISC-V本质一定是统一的，必须有一个共同认可的标准作为基础，才有可能更广泛地应用开来。 

因此，平头哥一方面积极参与标准建设，为RISC-V国际标准的制定贡献了许多领先的技术方案；另一方面，第一张架构兼容性测试证书的获得，也为产业树立了榜样，生态系统就能更好地支持该类型的IP核，让架构兼容成为整个行业的共识追求。

如今，RISC-V国际基金会负责管理RISC-V ISA规范。基金会首先会确保ISA被很好地定义并具有合理的配置，这些配置有助于软件生态系统建设，因为它保证了最低限度的ISA统一性。这样，软件生态系统悉知其对硬件的期待，而CPU供应商也可以预知最少的统一构建单元。

同时，我们可以在此基础上打造差异化和创新，虽然有时候这种差异化和创新过程被称为“碎片化”。但是如果方法得当，就全然不会与已经存在或未来将要定义的RISC-V ISA相冲突，因为RISC-V标准定义了自定义ISA应该存在的位置，而这种差异化或创新可能会成为未来RISC-V ISA标准和配置的一部分(例如代码压缩指令)。因此，即使碎片化是在差异化或者创新过程中的一部分，但它是完全可控的，RISC-V也从中受益颇多。

“真正与ISA相关的碎片化，意味着ISA语义版本的彼此互不兼容，即在一个版本上可以运行的软件二进制代码不能在其他版本上使用。例如，用于Arm Cortex-A上的二进制代码将无法在一款Cortex-M内核上运行，反之亦然。”Mike Eftimakis说。

相比之下，与绝大多数拥有固定指令集的ISA不同，RISC-V采用了模组化的架构，支持许多序列的可选择标准扩展和自定义指令。这意味着对于一个给定的字长(32或者64-bits)，就必须提供一套基本的整数集，这些指令的下一个范畴是可选择的标准的扩展，它们被用来应对常见的计算方面的挑战。此外还有很多非强制性的指令集可以使用，它们也经过了RISC-V基金会核准。最后，还有很多由RISC-V用户根据RISC-V标准中的规则集来定义的定制化扩展。

生态，生态，还是生态

从历史经验来看，用户对于具体使用哪种内核可能不会特别在意，他们在意的是生态系统的丰富程度、易用性、安全性、设计门槛的高低。尽管RISC-V目前已经建立了一个庞大的全球社区，吸引了众多开发者和厂商参与其中，会员单位接近4000家。然而，与一些传统的架构相比，RISC-V仍需要进一步丰富工具链、操作系统、编译器、模拟器等软件支持，并扩大硬件设备和组件的生态系统。考虑到降低设计门槛对于吸引更多的客户和开发者至关重要，RISC-V也需要提供更多的设计工具和IP库，以支持设计验证和集成的解决方案。

Codasip在近期发布的与SmartDV的合作就很具代表——通过将SmartDV完整的外设IP产品组合与Codasip RISC-V处理器IP相结合，使Codasip的定制计算客户能够以非常简捷的方式轻松选择、设计和获取一套完整的系统，这就是拥有一个全面的生态系统所赋予的力量。 

“RISC-V目前还处于蓬勃发展的阶段，处于爆发的前夜。相较前几年的纯技术探索，现在RISC-V的发展已经变得越来越清晰，并且跑出了不同的赛道。“杨静认为，未来5年，IoT、AI、通信、自动驾驶，乃至高性能计算及数据中心/云计算领域，都可能成为RISC-V最热门的应用场景。

据RISC-V基金会统计，预计到2025年，RISC-V会占据物联网领域28%的市场，其中在最有机会发力的AI和机器学习领域复合增长率超过70%，到2027年会有250亿台设备在RISC-V生态中。 

而到具体的应用领域采用RISC-V的时间点，整体趋势是从简单到复杂逐步铺开。一方面RISC-V内核的高能效、低功耗等特性会更加突出，跑出明确优势，给市场提供更多丰富选择；另一方面，RISC-V会向高性能方向发展，不断突破性能天花板，进入更多应用场景。比如北美已经开始探索数据中心的RISC-V落地；在欧洲，有公司在探索RISC-V与超算的结合；在亚洲，RISC-V也在落地车载等领域。但落地高端应用的关键，仍在于生态是否支持、发展闭环是否良性可持续、以及是否经过大规模市场的检验。

总体来说，RISC-V设计门槛、易用性等方面较之其他架构更为灵活、方便，安全性也是RISC-V的特色之一。但与成熟的x86、Arm架构相比，RISC-V在生态系统的丰富程度上还不如成熟架构，还有很长的路要走。

本文为《电子工程专辑》2023年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅