第三次芯片浪潮出現了！開源指令集是最大贏家

近日，2022年圖靈獎頒給了“以太網之父”、3Com公司創始人羅伯特·梅特卡夫。他研發的以太網設備及其協議，允許設備連接到局域網并共享打印機和文件等資源，極大降低了網絡連接成本。

在中國開放指令生態（RISC-V）聯盟秘書長、中科院計算技術研究所研究員包云崗看來，以太網成功的最大啟示是做開放標準，它為下一步創新提供平臺、拓展市場、繁榮生態，其背后的開源文化實則是一種生產方式的革新。

在日前舉行的開源硬件與新一代工業革命論壇上，專家表示，開源作為一種創新協作模式不僅引發了軟件產業變革，未來還將引發硬件、數據、算法、內容等產業變革，將重構產業鏈、供應鏈、價值鏈，基于開源的新工業革命正在到來。

發展迅猛的RISC-V

1978 年，英特爾率先推出復雜指令集架構X86。不僅產品性能極強，在經過一系列商業化運作后，比如Wintel聯盟的成立，X86幾乎壟斷了PC芯片市場，開創了屬于X86架構的時代。1985年，Arm的前身Acorn公司成功研發了第一款面向低功耗、低成本場景的處理器芯片ARM1，到1990年Arm開始采用芯片IP授權的方式經營業務，適逢此后抓住移動電話的機遇，尤其在獲得蘋果iPhone、谷歌安卓的采用后，后來全球95%的手機芯片都基于ARM框架開發。

對比之下，X86指令集架構有40多年歷史，ARM架構有30多年歷史，而時下正在興起的RISC-V架構其實只有大約10年歷史。雖然RISC-V很年輕，但已經有太多跡象表明，它的發展正在按下快進鍵。RISC-V是一個基于精簡指令集(RISC)原則的開源、免費指令集架構，它的一大特點在于開源：與大多數指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。

另一方面，不同于主流的x86與ARM架構指令數目多、冗余嚴重，文檔數量龐大，導致在此兩種架構上開發新操作系統或應用門檻較高，RISC-V基礎指令集只有40余條，加上其他的模塊化擴展指令總共不到100條，開發門檻非常低，同時，RISC-V具有功耗更低、操作系統易移植、模塊化設計等優點。

得益于這些優點，RISC-V芯片發展得非常迅猛，目前累計出貨量已經突破100 億顆。作為比較，出貨 100 億顆處理器所花的時間，英特爾的X86 架構花了幾十年，ARM 花了 17 年，而 RISC-V 只用了大約 10 年的時間。有數據預測，到 2025 年，采用 RISC-V 架構的處理器將突破 800 億顆。


抓住第三次芯片浪潮機遇

目前，RISC-V芯片開始出現在耳機、硬盤和AI處理器中，已經售出了100億個內核。在上月在滬舉行的首屆玄鐵RISC-V生態大會上，“RISC-V之父”、圖靈獎得主大衛·帕特森表示，在物聯網領域，預計到2025年有28%的市場會被RISC-V所占有；在RISC-V最有機會發力的人工智能和機器學習領域，其復合增長率將超過70%；預計2027年左右，將會有250億設備融入RISC-V生態中。

“這一輪開源芯片浪潮，我們沒有掉隊。”包云崗說。據統計，2022年全球采用RISC-V架構的100億顆處理器中，一半來自中國，這標志著國內的RISC-V生態已初步形成。中國工程院院士倪光南也指出，RISC-V的出現為推動中國芯片產業發展提供了新的機遇。

從全球范圍看，RISC-V國際基金會也在不斷壯大，過去幾年的會員增長率均超過100%，吸引了全球70多個國家的3100多名會員加入。從基金會中的實力占比看，中美處于第一梯隊。在全球24個高級會員中有13個來自中國，22個理事會成員中有9個來自中國。

“過去我國發展處理器芯片有兩種模式，即高鐵模式和北斗模式。前者是在現有生態下引進、消化、吸收、再創新，后者是完全自主構建技術體系。有了RISC-V后，我們可以走第三種模式——5G模式?！卑茘徴J為，國內企業應加速參與到開放標準的制定中，同時自主研發一批關鍵核心技術，面向國際市場，兼容國際生態，抓住第三次芯片浪潮的時代機遇。

RISC-V架構被廣泛采用

近期對于arm公司來說過得也不是很順利，兩月前剛剛傳出重大消息，arm全球裁員18%，其中英國總部所在地更是裁員20%，arm還沒能緩過氣來，美國芯片企業高通的高管Manju Varma突然表示他們早已研發RISC-V架構，并已出貨6.5億顆RISC-V芯片。顯然一場RISC-V和arm的未來市場爭奪之戰已經悄然展開。

RISC-V架構作為一種新興的架構技術，正在悄悄地被越來越多的國內外廠商采用。對于這樣一種誕生于2010年的開源指令集，到底有何優勢，能讓各大半導體巨頭企業紛紛布局呢？

首先，RISC-V是完全開源的指令集，對于指令集使用，RISC-V基金會不收取高額的授權費。開源采用寬松的BSD協議，企業完全自由免費使用，同時也容許企業添加自有指令集拓展而不必開放共享以實現差異化發展；

其次，RISC-V架構秉承了簡單的設計哲學，其基礎指令集則只有40多條，加上其他的模塊化擴展指令總共幾十條指令。RISC-V的規范文檔僅有145頁，而“特權架構文檔”的篇幅也僅為91頁。并且有著優秀的兼容性，開發者能非常方便的移植Linux和Unix系統到RISC-V平臺。

而反觀arm這邊，不論是高通還是蘋果，都同樣嫌棄arm的高昂授權費。蘋果這邊還好說，有著強大的獨立定制能力，使用arm架構的A系列和M系列處理器有口皆碑。但是高通這邊就是苦arm久已了，arm的公版核心功耗實在太高了，近兩代arm的超大核心X1、X2核心都出現功耗過高的問題，加上三星代工技術的不成熟，直接導致高通的驍龍888、驍龍8 Gen 1發熱嚴重，讓高通在消費者心中的口碑是一降再降，為此高通就開始試圖擺脫arm。

為此，高通早就收購了一家初創芯片企業Nuvia，Nuvia并未采用arm的公版核心而是獲取arm的授權自研核心架構，如此可以降低授權費，還可以研發性能強大的芯片。顯然，arm不可能就此坐以待斃，不僅直接起訴了高通，甚至在10月還放出消息，將禁止公版 CPU 使用外部 GPU、NPU 或 ISP，也就是說，在未來只要使用了arm指令集的設計，就必須搭配ARM自己的產品（ARM GPU/NPU/ISP），這就意味著，未來手機端的SoC設計個性化定制程度將極大受到限制，單個計算單元的優化會極大地依賴arm的設計，這在很大程度上已經向著x86架構生態發展，但是很明顯，第一，市場肯定會極力阻止出現第二個Wintel聯盟；第二，arm目前也沒有英特爾和微軟的統治能力。亦敵亦友的高通和arm已經對簿公堂，一旦arm贏得訴訟，那對高通將是不利的，其芯片戰略布局會因此被打亂，而轉投RISC-V能形成反制。可以預見的是，RISC-V IP廠商可能迅速崛起，這將迅速加快RISC-V的路線圖。

如今高通進一步表態早已研發RISC-V架構并已應用于自家的驍龍系列芯片，顯示出arm限制高通采用Nuvia核心之后，直接舍棄arm指令集，另起爐灶研發RISC-V架構，這對arm無疑是釜底抽薪。高通對于arm來說是至關主要的企業，不僅是經濟上，還是對于整個市場來說，高通一定是一家有著重要象征意義的企業，高通代表著arm架構的最高水平之一，在某種程度高通、蘋果和arm在市場的心中是綁定的，毫不夸張的說，一旦高通轉向RISC-V對于arm來說無疑是巨大的打擊，意味著arm的地盤有崩潰的可能性。

轉向RISC-V架構的這個口子已經被高通打開，在往后的日子里，高通一定會持續開發RISC-V芯片處理器，恐怕不需要以后，現在的高通就已經開始規劃將RISC-V架構技術用于可穿戴設備、智能汽車、移動設備等終端芯片產品中了，而隨著高通正式研發RISC-V架構芯片，筆者相信蘋果一定不會選擇把雞蛋全放在arm這一個籃子里，也極有可能轉投一部分資源到RISC-V陣營。

RISC-V，還是國產替代的一條出路

事實上，在目前出貨的100億顆RISC-V架構的處理器里，有一半來自中國。RISC－V國際基金會的19個高級會員中，和中國相關的會員有12個。中國有很多的芯片廠商都在布局RISC-V，包括芯來科技、紫光展銳、兆易創新、樂鑫、中科藍訊、全志科技、匯頂科技等等。據統計數據，包括IP內核與芯片設計等主要內容在內，中國目前有300家以上公司在關注RISC-V或以RISC-V指令集進行開發。

中國芯片公司如此關注RISC-V，一方面是因為其簡潔好用，另一方面，在外國對傳統架構的芯片有壟斷優勢，且對我國的芯片封鎖日益嚴格的背景下，RISC-V開源的特性可以防止我國所需芯片又出現被管制的現象。之前很火的Chiplet是繞過晶圓制造技術，通過封裝環節來達到更強性能，而CPU中繞開現有體系另起爐灶的一條路徑就是RISC-V體系。

計算機專家，中國工程院院士，中國科學院計算技術研究所研究員倪光南表示：“未來RISC-V很可能發展成為世界主流CPU之一，從而在CPU領域形成X86、ARM、RISC-V三分天下的格局。對RISC-V，中國只要加大投入，依靠中國科技人員的創新，有可能在CPU核心技術上獲得很大的話語權。”

因此，RISC-V目前可能是國產替代的一條好出路甚至唯一出路。