這個(gè)新 CPU 架構(gòu)，要干翻 X86 和 ARM ...

如果你的手機(jī)正在使用驍龍 888，驍龍 778G 這樣早兩年發(fā)布的處理器，一定對(duì) CPU 上那顆既能當(dāng)主力大核，又能當(dāng)中核的 CortexA78 移動(dòng)旗艦核心不陌生。

最近，以 RISCV 架構(gòu)誕生的 SiFive P670 核心，性能比 A78 低 5%，但核心面積只用到后者的一半，簡(jiǎn)直離譜，成本、能效優(yōu)勢(shì)突出。

谷歌官方也宣布安卓 15 上會(huì)正式支持 RISCV 架構(gòu)的微處理器。

這事可能會(huì)令許多普通消費(fèi)者詫異，怎么就突然冒出個(gè) RISCV？芯片面積小的同時(shí)性能還這么強(qiáng)？

實(shí)際上，RISCV 已經(jīng)是繼 x86、Arm 之后的第三大 CPU 架構(gòu)。目前至少有 300 多家單位加入，其中有我們熟悉的阿里、谷歌、華為、三星、英偉達(dá)、高通、聯(lián)發(fā)科、中科院計(jì)算所、麻省理工學(xué)院等。

前段時(shí)間，倪光南院士也在 RISCV 中國(guó)峰會(huì)上表示：“RISCV 的未來(lái)在中國(guó)，而中國(guó)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)也需要 RISCV，開源的 RISCV 已成為中國(guó)業(yè)界最受歡迎的芯片架構(gòu)。”

憑借開源、免費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，RISCV 未來(lái)很有可能真正做到三分天下，甚至在移動(dòng)端直接接替同為精簡(jiǎn)指令集的 ARM 的霸主地位。

RISCV的發(fā)展

RISC 的全程是 reduced instruction set computing，既精簡(jiǎn)指令集，V 是第五代技術(shù)。

RISC 源于 1980 年由圖靈獎(jiǎng)得主大衛(wèi)?帕特森在加州大學(xué)柏克萊分校主持的 Berkeley RISC 項(xiàng)目。

其設(shè)計(jì)出的第一代 RISCI 處理器，只有 32 條指令，并且晶體管只有同期 CISC（復(fù)雜指令集）設(shè)計(jì)芯片的一半，但性能卻超過(guò)同期其他任何一種芯片，非常強(qiáng)大。

80 年代中后期，RISC 芯片迎來(lái)蓬勃發(fā)展，HP 和 SUN 開始推出搭載 RISC 芯片的計(jì)算機(jī)，包括工作站和服務(wù)器。

SUN 公司 SPARC 系統(tǒng)的成功，讓更多人看到 RISC 的潛力，比如 IBM 公司也參與到了 RISC 的項(xiàng)目，其后 30 年間推出的 Power 系列 CPU，采用的就是 RISC 架構(gòu)。

2010 年，加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)，起初只是單純的想要一個(gè)能夠更好為教學(xué)服務(wù)的指令集，他們當(dāng)時(shí)考慮過(guò) ARM、MIPS、SPARC 和 X86，但發(fā)現(xiàn)這些指令集不僅復(fù)雜，還有 IP 法律，授權(quán)難，授權(quán)費(fèi)貴等問(wèn)題。

于是決定自己操刀，全新的開源指令集架構(gòu)項(xiàng)目 RISCV 因此誕生。

然而歷史的巧妙之處在于，許多重大事件的誕生往往是無(wú)心插柳柳成蔭。

RISCV 由于其精簡(jiǎn)、高效、低能耗、模塊化、可拓展、免費(fèi)開放、無(wú)歷史負(fù)累低效指令等優(yōu)勢(shì)，很快出圈。RISCV 團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這份價(jià)值后，決定推出市場(chǎng)。

2015 年，RISCV 基金會(huì)成立，主打完全開源、無(wú)專利掣肘，有 BSD 許可證加持，這是商業(yè)公司最喜歡的開源許可證之一。

2019 年 6 月，RISCV 基金會(huì)創(chuàng)始人之一大衛(wèi)·帕特森宣布，將依托清華伯克利深圳學(xué)院內(nèi)部建設(shè) RISCV 國(guó)際開源實(shí)驗(yàn)室。

2020 年 3 月，RISCV 基金會(huì)為規(guī)避美國(guó)對(duì)中國(guó)的貿(mào)易限制而將總部搬遷至瑞士，并更名為 RISCV 國(guó)際。

指令集

CPU 發(fā)展至今，有非常多的架構(gòu)，比如 X86，ARM、RISCV、MIPS 等。雖然多， 但從邏輯角度上可以分為兩種——“復(fù)雜指令集” 與 “精簡(jiǎn)指令集” 。

復(fù)雜指令集的代表是 X86，由英特爾、AMD 主導(dǎo)，我們電腦上的 CPU 幾乎都是這一類。

“精簡(jiǎn)指令集”的代表是 ARM，而 ARM 在移動(dòng)端的普及蘋果也功不可沒。

早期蘋果找上英特爾希望能研發(fā)出一款專為 iPhone 打造的高能效移動(dòng)端芯片，但英特爾沒有抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，蘋果就把目光瞄準(zhǔn)了 ARM 指令集。

得益于精簡(jiǎn)指令集優(yōu)秀的能耗比，現(xiàn)在蘋果已徹底甩掉 X86 這輛大車，自研 ARM 指令集的芯片全面反哺到 Mac 端。

指令集是什么？蘋果都嫌棄的復(fù)雜指令集，難道就一定比精簡(jiǎn)差嗎？

首先，我們可以把硬件（CPU）想象成新建小區(qū)，軟件想象成小區(qū)邊的配套設(shè)施，比如醫(yī)院，超市等。

而這個(gè)時(shí)候，小區(qū)和周邊設(shè)施中間有一條河，想要互通無(wú)阻，就需要指令集充當(dāng)橋的角色。

復(fù)雜指令集和精簡(jiǎn)指令集都能做到連接兩地，但從一地到達(dá)另一地的出發(fā)目的卻是可以不同的。

比如，小明只有一輛摩托車，他想要從小區(qū)過(guò)橋到超市買水，騎摩托車很快就能搞定。但如果他要從超市運(yùn)輸大量物資回家，就需要多走幾趟。

而另一個(gè)人小虎，有一輛私家車，載貨量足，運(yùn)貨的話，比摩托車強(qiáng)很多，但是只能走特定的大橋，如果只是買水，開車成本增高，雖然小虎也可以選擇走路，但效率顯然會(huì)變的更慢。

所以就是，精簡(jiǎn)指令集和復(fù)雜指令集的優(yōu)劣，要根據(jù)場(chǎng)景和需求來(lái)決定。

總的來(lái)說(shuō)，精簡(jiǎn)指令集適合移動(dòng)端，能耗低，省電，性能會(huì)差點(diǎn)。復(fù)雜指令集適合 PC，處理速度快，能力更強(qiáng)，但比較臃腫，有時(shí)候不夠高效。

當(dāng)然，這也并非絕對(duì)，實(shí)際上兩者正在取長(zhǎng)補(bǔ)短，互相學(xué)習(xí)。

RISCV的特點(diǎn)

錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)并不可怕，可怕的是兩個(gè)相似的對(duì)手在同一個(gè)賽道卷。RISCV 和 ARM，同宗同源。既然 ARM 生態(tài)已經(jīng)如此強(qiáng)大，為何還有許多開發(fā)者選擇 RISCV 使其成為第三大 CPU 架構(gòu)？

原因，主要有以下幾種。

1.更簡(jiǎn)潔

在 19 年的一份各大指令集手冊(cè)對(duì)比中，RISCV 的頁(yè)數(shù)只有 236 頁(yè)，字?jǐn)?shù) 76702 字，而 ARM32 和 X8632 的頁(yè)數(shù)來(lái)到了 2000 多頁(yè)，X8632 的字?jǐn)?shù)更是超過(guò) 200萬(wàn)。簡(jiǎn)潔通常意味高效、可靠。

2.入門門檻低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單

ARM 和 X86 在定義新的架構(gòu)時(shí)必須考慮兼容已有的技術(shù)，所以它們的規(guī)范文檔多、指令數(shù)目多，晦澀難懂，初學(xué)者門檻高，不過(guò)在生態(tài)方面目前是占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的。

反之， RISCV 作為一個(gè)新生架構(gòu)，不用考慮那么多，對(duì)設(shè)計(jì)者更加友好，也因其更簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)前面提到的同為精簡(jiǎn)指令集，但卻可以以一半面積達(dá)到相同性能的實(shí)力。

3.易于移植，通用性強(qiáng)

RISC 的設(shè)計(jì)們認(rèn)為一個(gè)設(shè)計(jì)良好的指令集應(yīng)該是開源且可以被任何人使用的，所以 RISCV 架構(gòu)的 CPU，是可以根據(jù)具體場(chǎng)景選擇適合指令集的開源架構(gòu)。

比如它可以用作服務(wù)器 CPU、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 CPU、移動(dòng)穿戴設(shè)備的CPU、工控 CPU 、甚至是用在比指頭還小的傳感器中當(dāng) CPU。

通用，意味資源可反復(fù)利用，軟件的開發(fā)成本從而有效降低，因此開發(fā)商也能將精力更加集中在硬件設(shè)計(jì)上。

換言之，哪怕你一開始造計(jì)算機(jī)，也可以入局智能手表；一開始只做屏幕圖顯，未來(lái)也有機(jī)會(huì)上太空造航天器。

而這些正是得益于算法的強(qiáng)通用性。但如果你用的是 ARM 架構(gòu)，由于 ARM 專利技術(shù)的私密性，移植就不會(huì)那么順利了。

4.成本因素

這是最最重要的原因。

許多人對(duì) ARM 不了解，認(rèn)為這個(gè)和蘋果、聯(lián)發(fā)科、高通、華為麒麟都有關(guān)系的架構(gòu)是開源的，但實(shí)際上并不是。

它是商業(yè)授權(quán)指令集，IP 是需要收費(fèi)的，ARM 的收費(fèi)項(xiàng)目包括前期授權(quán)費(fèi)（License）、版稅（Royalty）和技術(shù)咨詢服務(wù)費(fèi)。

值得一提的是，在 23 年年初時(shí)，ARM 還曾有過(guò)更改授權(quán)模式的想法，它想根據(jù)銷售設(shè)備的價(jià)格而抽取資金，這個(gè)想法當(dāng)然遭到手機(jī)制造商們的集體抗議，因?yàn)檫@會(huì)讓成本顯著增加。

此外，客戶在使用 ARM 相關(guān)技術(shù)前，還需簽署保密協(xié)議，因此也有人認(rèn)為這類專有技術(shù)阻礙了公共教育用途和安全審核，還有軟件和操作系統(tǒng)的自由發(fā)展。

（RISC 還有高度規(guī)則的指令流水線、每條指令 (CPI) 的時(shí)鐘周期數(shù)較低等顯著等特點(diǎn)。）

可能迫于 RISCV 的壓力，ARM 曾偷偷上線一個(gè)網(wǎng)站：其中列舉 RISCV 的幾大“罪證”，包括：成本、生態(tài)系統(tǒng)、碎片化風(fēng)險(xiǎn)、安全性問(wèn)題、設(shè)計(jì)驗(yàn)證。最后迫于輿論，ARM 關(guān)閉了該網(wǎng)站...

做個(gè)總結(jié)， RISCV 作為后發(fā)技術(shù)，吸取前者經(jīng)驗(yàn)，能做到相對(duì)簡(jiǎn)潔高效，指令集開放、開源，對(duì)小公司友好，生態(tài)雖目前仍不成熟，但發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

前景和擔(dān)憂

目前在嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)這塊這塊，RISCV 憑其功耗優(yōu)勢(shì)，已是穩(wěn)步前進(jìn)。

開源的 RISCV，毫無(wú)疑問(wèn)能吸引更多玩家入局。但玩家一多，過(guò)度自由化的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)越高，存在這些玩家在已有基礎(chǔ)上制定自有標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)核心各自為政互不兼容等情況。

所以，RISCV 需要做的是避免 IP 過(guò)度碎片化，不然 MIPS 在多個(gè)方面就是它的前車之鑒。

另外，RISCV 一旦大規(guī)模普及，調(diào)用的接口也會(huì)越來(lái)越多，指令集也不排除被一些廠商進(jìn)一步定制擴(kuò)展，而舊的底層指令集因?yàn)榧嫒菪砸膊荒軄G，所以后續(xù)是否還能做到如此高效開放，是不是又會(huì)走上和 ARM 一樣的老路，還有待商榷。

當(dāng)然，解決辦法也不是沒有，那就是 RISCV 需要一些高端玩家來(lái)共同制定一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)。

比如，把指令集標(biāo)準(zhǔn)化得讓其他人心服口服，這樣就能夠避免過(guò)渡碎片化。

同時(shí)，高端玩家還能利用自身影響力和財(cái)力，帶動(dòng)軟件生態(tài)建設(shè)，開發(fā)大量軟件工具，甚至直接設(shè)計(jì)相關(guān)的高端硬件，拿下以 CPU 為核心技術(shù)的市場(chǎng)。

RISCV，目前最缺的就是這么一款王炸產(chǎn)品。

但新的問(wèn)題隨之而來(lái)，巨頭紛紛入局，虹吸效應(yīng)顯現(xiàn)，而且人人都不是慈善家，人多意見多，所以原本 RISCV 的建立者話語(yǔ)權(quán)就會(huì)被進(jìn)一步稀釋。

入局的人會(huì)想辦法建立一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的商業(yè)模式。而建立者們可能只是想研發(fā)一個(gè)完全開源、無(wú)專利掣肘的指令集新架構(gòu)服務(wù)于各行各業(yè)。

那么在多方利益對(duì)抗權(quán)衡后的 RISCV，還能做到不忘初心嗎？

當(dāng)然，這些都是遙遠(yuǎn)的后話。RISCV 目前的首要目標(biāo)是活下去，先活著，再談賺錢。它首先威脅的是 ARM 的市場(chǎng)。

可能不久后，我們就有機(jī)會(huì)用上另一種全新架構(gòu)的 CPU，作為消費(fèi)者而言，多一個(gè)選擇，總比現(xiàn)在老氣橫秋進(jìn)步緩慢的市場(chǎng)更有趣，不是嗎。

參考資料：

維基百科：RISC

快科技：安卓 15 率先支持 第三大 CPU 架構(gòu) RISCV 手機(jī)版性能逼近 A78

CSDN博客：RISCV 的前世今生

知乎：為什么 RISCV 將超越 ARM？

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編輯：輝仔