RISC-V 架构能否有效挑战 ARM 和英特尔? 6park.com
鉴于ARM授权费太贵及英特尔几乎“闭门不开”，RISC-V在世界范围内逐渐步入发展热潮。与此同时，在去年的中兴事件引发了中国高度关注后，中国RISC-V产业联盟和中国开放指令生态系统(RISC-V)联盟相继成立。


目前，RISC-V进一步在国内铺开发展。自2019年5月6日起，由RISC-V与Linux两大基金会合作并开展系列面向RISC-V架构技术的研讨会，历时11天先后在中国深圳、成都、上海、杭州、北京5个城市的RISC-V进行路演，以推动RISC-V在中国的产业化。 6park.com
这个挑战要分门别类的讲。
嵌入式领域基本可以非常强有力的挑战了本来ARM Cortex-M的用户就很碎片化，不像Cortex-A系列那么赚钱，而不管是不是RISC-V带来的挑战，Cortex-M的确也在不断降价。但就算Cortex-M不要钱，谁又愿意定期向ARM报告自己的出货量呢？Cortex-M的确很成熟但是品类太少，很多应用和需求造成了浪费，再加上在MCU这么碎片化的市场，并没有也不需要一个统一的操作系统，所以很多厂商引入RISC-V的成本是非常低的，很多内部应用甚至不需要操作系统。在终端厂商垂直化的大趋势下，自己做核用在自己产品里连生态问题都不需要考虑，比如华米黄山一号用在华米的手表里我认为 6park.com
同学的答案本身没有问题，从投资人的角度可能优质的RISC-V Start-up并不多。但是忽略了一点：开源CPU Core也是不可忽视的力量，除非要求特别高的应用，否则对于很多企业开源核就完全能够满足需求。举几个开源Core的例子picorv32作为一个小核已经被很多fabless用到了，包括我们自己rocket-chip作为一个性能中等的Core，国内两家矿机芯片企业转型AI都用到了pulpino已经用在Google的Pixel芯片里用作电源管理蜂鸟也不少人用吧，而且作为教学核已经广泛被接受了未来开源核和商业核的竞争恐怕才是最大的竞争两个比较有难度的领域，手机和服务器要知道对于几个大厂来说，设计出和媲美最好的ARM的AP CPU和接近Intel的服务器CPU并不是不可实现的，投入人力即可。（因为ISA只是软硬件接口，微架构、设计能力、经验、工艺等才是决定性能、功耗、面积的关键）缺失的部分ISA中很多在只有在服务器和手机上才用到的标准细节定义，这里有很多坑，不论是ARM还是Intel都是一路踩过来的，比如虚拟化、内存模型等等（手机）JVM等动态、高级语言的在工具链的持续完善（服务器）可以被广泛接受的向量或者AI加速指令扩展，或是足以成为事实标准的高性能向量或者AI加速器在软件栈上的持续完善（稳定可靠的OS、以及诸如LAMP、nodejs、python等）桌面就真没什么好说的，一方面是手机端越来越兴起；另一方面在国内大家还是喜欢用Win，你要是还在用Win那么看这个答案就请不要对桌面指手画脚，因为你自己都改变不了，怎么还指望新ISA能在桌面火起来）超算作为一个单独的领域就简单很多，可以参考申威，因为超算只要满足少量系统、少量应用就可以，
所以，综合考虑当前的状态和发展预期：
当前的状态：从SiFive发布U540/Unleashed Board以来，大家首先有了可以运行更复杂OS和软件的真是硬件，比如我自己就移植了OpenWrt并且快进入主线了，而Fedora和Debian等很多OS也都porting了，在这个基础上大家有了OS，就能运行更复杂的软件，比如你搭个小服务器，我搞个路由器，这样才能给软件开发人员一个稳定的试错环境。发展预期：RISC-V的发展可以说是飞速的，今年包括SiFive等几个厂会陆续发布更高性能的Core以及更多的可以运行Linux的Core，这样以来形成的反馈速度会越来越快。
结论：标准->硬件->软件->更好的标准->更好的硬件->更好的软件->更更好的标准->更更好的硬件->更更好的软件->。。。。。的反复迭代速度决定了在几个高端领域什么时候RISC-V能够有效挑战ARM和Intel。直觉告诉我，RISC-V生态结构所具有的网络效应会使得其正反馈的速度大于ARM生态。
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RISC-V和X86很像镜像，优缺点刚好相反。 6park.com
X86名义上是CISC，RISC-V名义上是RISC（这点并不重要）。
X86封闭，需要授权，但是有Intel、AMD作为核心引导开发方向；RISC-V开放、开源，但是RISC-V联盟内部对发展方向一直存在分歧。
X86有长期的市场优势积累，软件支持极佳，但是历史包袱也大，不得不为兼容性牺牲性能；RISC-V诞生不到10年，软件支持不佳，但是完全针对现代需求设计，不需要为了兼容老应用做牺牲。


如果RISC-V联盟能够克服内部矛盾，成功建立起一个完善的生态环境，那RISC-V将前途无量。但是一个没有主导者的纯粹的开放架构想要建立完整生态是很困难的，社区主导的OpenRISC没能取得成功，希望产业联盟主导的RISC-V能更进一步吧。
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RISC-V（发音为“risk-five”）是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），简易解释为开源软件运动相对应的一种“开源硬件”。该项目2010年始于加州大学伯克利分校，但许多贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。与大多数指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件而不必支付给任何公司专利费。虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要意义，因为其设计使其适用于现代计算设备。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件，这解决了新指令集通常的弱点。 6park.com
我们推荐西南证券的研究报告《布局RISC V，进军IoT》，从RISC V的技术特点、设计理念、历史沿革、优缺点等多方面解析RISC V架构。
一、什么是RISC V？能否有效挑战 ARM 和英特尔?
CPU（中央处理器），也被称为微处理器，相当于电子产品的大脑。在通信领域当中，几乎所有的重要信息都要由这个“大脑”所掌控，CPU芯片和操作系统是网信领域最基础的核心技术。 CPU主要有两大指令集：复杂指令集（Complex Intruction Set Computer，CISC）架构——x86，精简指令集（Reduced Intruction Set Computer，RISC）架构——ARM、MIPS和RISC-V 。而 RISC-V正是一种基于“精简指令集（RISC）”原则的开源指令集架构。




▲CPU主流架构
CPU的架构一直以来是x86与ARM的天下，而自2010年RISC-V诞生以后 ，隐约在CPU架构呈现出三足鼎立的趋势：
X86：传统PC市场的主流，善于处理大数据，IP掌握在英特尔和AMD手中 。
ARM：移动（手机）市场，处理快数据为主，目前也使用在便携笔记本中，IP大部分掌握在ARM公司。
RISC-V：当需要同时兼顾数据传输速度与传输量时，这两类主流架构的胜任能力有限。RISC-V表现出了较强的优势。




▲CPU架构三足鼎立趋势
1981年，在David Patterson的带领下，加州大学伯克利分校的一个研究团队起草了RISC-1，是今天RISC架构的基础。随后在1983年发布了RISC-II原型芯片，1984年和1988年发布了RISC-III和RISC-IV。 RISC的设计理念也催生了一系列新架构，如MIPS、服务器的王者IBM PowerPC以及现在统治嵌入式市场的ARM。2010年，加州大学伯克利分校的研究团队设计并推出了一套基于BSD协议许可的免费开放的指令集架构RISC-V，其原型芯片也于2013年1月成功流片。




▲RISC发展历程
RISC-V最大的特性就在于“精简”。虽然与ARM同属于精简指令集架构，但因RISC-V是近年来才推出，没有背负向后兼容的历史包袱，架构短小精悍。相比于x86和ARM动辄几百数千页，RISC-V的规范文档仅有145页，且“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。
RISC-V的优势 ：
1、模块化：RISC-V将不同的部分以模块化的方式组织在一起，并试图通过一套统一的架构来满足各种不同的应用场景，这种模块化是x86与ARM架构所不具备的。
2、指令数目少：受益于短小精悍的架构以及模块化的特性，RISC-V架构的指令数目非常的简洁。基本的RISC-V指令数目仅有40多条，加上其他的模块化扩展指令也总共只有几十条指令。
3、RISC-V全面开源，且具有全套开源免费的编译器、开发工具和软件开发环境（IDE），其开源的特性允许任何用户自由修改、扩展，从而能满足量身定制的需求，大大降低指令集修改的门槛。
同类产品中，ARM需要支付高昂的IP费用才可使用，甚至需支付“预付款”才可看到细节。




▲RISC-V的模块化指令集




▲各指令集架构的代码密度比较




▲三类架构对比
2015年，RISC-V 基金会正式成立，吸引了包括英伟达、NXP、三星、Microsemi在内等企业的加入。迄今为止，该基金会已吸引了全球28个国家327多家会员加入。 RISC-V基金会负责维护RSIC-V指令集标准手册与架构文档，每年RISC-V基金会都会举办各种专题讨论会和全球活动。




▲RISC-V基金会内部已有较为完善的生态圈
二、RISC-V优缺点
因为x86适合处理大量数据，在传统PC与服务器领域处于霸主地位， 在手机带来的科技革命趋势下，需要快速处理数据，ARM架构在手机处理器IP领域一统江湖。 在半导体的历史上，X86、ARM作为主流架构一直都占有着很大的市场。随着物联网时代的来临，而RISC-V作为新兴架构，以其精简的体量，或许在未来的IoT领域中能取得绝对的优势。




▲不同架构与数据、应用扩展方式
RISC-V的应用之一：IoT的“碎片化”需求， 因为IoT领域对AI芯片即要求高计算能力，又需要低延迟， 所以，IoT芯片设计速度要快、成本要低、能量身定制。同时嵌入式市场具备少量多样的特点，在各细分应用场景并未形成真正壁垒，架构的选择五花八门。 以上原因成就了RISC-V绝佳的突破口。RISC-V的开源能降低成本，也能让用户自由修改，可定制化，RISC-V生态与敏捷设计同源。目前，国内外已有多家芯片企业投入大量资金研发RISC-V在IoT领域的应用。






▲ IoT领域结构
未来的物联网大概会有300亿个设备被链接起来，那么物联网安全并不是奢侈品，而是必需品。而RISC-V的开源特性允许广泛的受众检查其体系结构，并在它们成为大范围的安全事件之前纠正它们。 RISC-V可以通过提供“修复”核心而无需实际更改核心的机会来影响我们现有的网络犯罪流行。
RISC-V的应用之二：手机市场 。 根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测，两年之后RISC-V就会进军手机市场，与高通、苹果、三星、联发科等ARM公司抢智能手机处理器市场，同时有可能威胁低功耗笔记本处理器 。 目前ARM公司的营收数据略有下滑，2017与2018年，ARM的设计IP市占率分别下滑1.6%及1.5%。因此，ARM也作出了相应的改善策略。2019年7月，Arm 推出新的授权模式“Flexible Access”：对于中低阶芯片的授权，未来客户不再需要缴纳“预付款”才能看到设计细节 。
RISC-V的应用之三：服务器市场 。 虽然目前RISC-V的高性能市场一片空白，但RISC-V本身用来设计高性能芯片是没有问题的，学术界已经有基于RISC-V架构的511核处理器（Celerity）。只是基于RISC-V的低门槛特点，进入的企业体量较为小巧，没有足够的资金做长期布局与研发，高性能等需要较长研发时间的领域尚无人尝试。
根据SiFive首席执行官Naveed Sherwani的预测，5年后RISC-V指令的处理器就有可能进军服务器市场，AMD、英特尔这样的x86处理器公司也许将要担心。




▲ 基于RISC-V架构的511核处理器（Celerity）
RISC-V的应用之四：存储市场 。 硬盘本身并不需要像SSD那样庞大的计算资源，但是由于新的磁记录技术，更复杂的功能（例如，基于NAND Flash的
缓存，健康管理，QoS），它们的处理要求也在增长增强等。这对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。
硬盘本身并不需要像SSD那样庞大的计算资源，但是由于新的磁记录技术，更复杂的功能（例如，基于NAND Flash的缓存，健康管理，QoS），它们的处理要求也在增长增强等。这对存储器中控制芯片的计算能力要求变高了。
虽然数据可以就近传输到附近的服务器汇总进行处理，这需要更为强大的服务器，但服务器本身对处理快数据的效率不高，因此硬盘不仅存储数据，还需要处理它。
目前RISC-V被认为最适合应用在IoT市场。因为IoT市场的情况更为灵活，是一个“碎片化”的市场，客户需求相对多样化，目前尚无任一架构统一市场，而RISC-V具有低功耗、低成本、灵活可扩展及安全可靠的特性。
虽然RICS-V本身是开源免费的，但是用户对RICS-V的架构进行使用和修改后可以进行销售。根据Tractica的预测，基于RISC-V的IP和软件工具的全球收入将在2025年增加到11亿美元，高于2018年的5200万美元。
但是， RISC-V最大的缺点是目前尚缺少生态系统 。 CPU 架构的影响力主要是依赖他生长的一整套生态系统，比如基于x86的Windows，基于ARM的Android。RISC-V现在最缺的是生态系统，特别是IoT碎片化的性质，没有一个统一的软件栈生态。
RISC-V基金会其实对此并不做任何定义，生态系统的搭建交予使用者来自行发挥。并且生态系统并非一蹴而就，根据RISC-V基金会亚太区副秘书长郭雄飞所言，唯有RISC-V MCU大规模量产，开发者真正随手可得，相应的软件生态才能大规模爆发。




▲三大架构与生态系统
而且，在AI芯片赛道上，RISC-V有个最强的竞争者 MIPS 。 ARM、MIPS和RISC-V皆属于精简指令集（RISC）架构。在智能手机时代，由于MIPS选择消费电子时，Arm选择了手机市场，即使ARM与MIPS的诞生时间相差些许，但更晚出现的Arm成为了智能手机时代的标签。 MIPS和RISC-V两者的架构也相差不大。因此，在2018年12月MIPS宣布开源之后，MIPS可能成为RISC-V在AI时代强有力的竞争者。并且基于MIPS指令集的芯片已经有100亿颗的出货，这意味着MIPS处理器在机顶盒、录音笔、智能手表等市场已经非常成熟。未来，政策、生态、软件等方面的因素是两个指令集在AI时代竞赛的重要考量。




▲MIPS架构与MIPS公司的发展历程
RISC-V是国内芯片自主可控一次弯道超车的机会 。目前所有的通用x86架构处理器技术都掌握在英特尔和AMD公司手中，ARM则也受到美国政策的限制。同时信息安全也是近几年来一直在强调的话题。在政府、海关、金融、铁路、民航、医疗、军警等重要部门，保障其通信安全尤为重要。
但RISC-V的开源特性，使得国内企业可以继续使用。同时因为其模块化的设计，可以直接应用模块，使用门槛不高。并且对于新时代IoT等趋势的驱动下，RISC-V对比其余架构存在较大的优势，国内企业提前布局，或可成为该行业巨头之一。自2018年开始，在国内的半导体技术圈里，已经掀起了一场关于RISC—V的讨论热潮。
9月20日上午，中国RISC-V产业联盟(China RISC-V Industry Consortium，CRVIC)成立大会在张江的上海集成电路行业协会会议室成功召开。吸引芯原控股、芯来科技、上海赛昉科技、杭州中天微、北京君正、兆易创新、紫光展锐等多家单位加入，芯原控股有限公司担任联盟首任理事长单位。
设立联盟为搭建产业交流平台，推动RISC-V 广泛应用；推动RISC-V 人才培养，建立高校培养计划；推动会员协同发展，建立长效合作机制；承接RISC-V 全球基金会活动，深化国际合作交流。
智东西认为，RISC-V的五大特点，精简、安全、开源、下游市场和生态决定了RISC-V在物联网时代将会大放异彩，而且RISC-V指令集可能是最适合中国国情的，它的方针与我国秉持的开放共享、互利共赢的发展理念完美贴合。PC时代成就了x86，移动互联网时代ARM是绝对的主流，即将到来的IoT时代，哪种指令集架构会成功？不少人看好RISC-V。RISC-V这个全球开放的架构没有知识产权的限制，对中国而言是一个很好的机会，随着RISC-V在中国越来越火爆，相信不远的未来我们就能看到基于RISC-V的自主可控芯片的诞生。