RISC-V终露锋芒？打破计算架构“双寡头”竞争格局

作者：陈玲丽时间：2024-03-28来源：电子产品世界收藏

前言

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/202403/456957.htm

计算机系统的核心是处理器，它负责执行程序中的指令。为了能够让处理器理解并执行这些指令，需要有一套规范，这就是指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）。在计算机历史的发展过程中，处理器设计出现了两种主要的指令集架构：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。指令集可以理解为计算机系统中软件和硬件交互的规范标准，即软硬件沟通的“桥梁”。

CISC指令集提供了丰富的指令，减少了程序员的编程工作量，然而较为复杂。随着计算机科学的发展，人们发现这种复杂性会导致处理器的性能和能效下降。20世纪80年代初，加州大学伯克利分校的David Patterson、斯坦福大学的John L. Hennessy等学者开始尝试对传统的CISC进行精简， RISC便由此诞生，信息技术史上浩浩荡荡的CISC与RISC之争拉开帷幕。

RISC-V有何不同？

2010年，加州大学伯克利分校的科研团队在调研了x86、ARM等现有指令集后，得出主流指令集存在知识产权限制、指令集架构复杂的结论，于是该团队从零开始，设计了一套全新的指令集。就在这样的背景下，RISC-V（即第五代精简指令集计算机）作为开源芯片的代表，正式诞生了。罗马数的V也暗示了“变种（Variations）”和“向量（Vectors）”，以支持各种体系结构研究，包括各种数据并行加速器，也是这个ISA设计的明确目标。

RISC-V是一种开放源代码的指令集架构，开源意味着自由、免费、可控 —— 对于RISC-V指令集的使用，RISC-V基金会不收取高额的授权费；也允许企业添加自有指令集，而不必开放共享，实现差异化发展。另外，RISC-V采用了RISC设计理念，具有简洁、高效的指令集，只有40多条基本指令，这种设计可以提高处理器的性能和能效，降低功耗。同时，没有向后兼容的历史包袱。

x86和ARM由于历史原因，指令集多达上千页、没有模块化区分，导致很难灵活定制。RISC-V不仅短小精悍，其不同的部分还能以模块化的方式组成在一起，例如RISC-V基金会制定了向量计算、加解密、压缩等指令集扩展，用户在设计芯片时可以选择是否使用上述扩展，也可定制私有的指令集扩展，如针对通信任务加速定制编解码指令扩展等。

从而通过一套统一的架构满足各种不同的应用场景，具有很高的可扩展性。用户能够灵活选择不同的模块组合，可以根据不同的应用场景进行定制和优化。例如，可以通过添加定制指令来提高特定任务的性能，或者通过精简指令集来降低功耗。

降低软件与硬件“互操作”的成本，追求极致的开发和运行效率是计算机领域技术不断发展的驱动力，也是指令架构从曾经的十几种逐步收敛到一两种的核心原因。开源是指令架构演进的必然趋势，RISC-V软件与硬件的互操作界面正处于被不同行业的专家以开放透明的方式制定过程中，吸收全行业对于指令架构的最新需求。

目前在PC及服务器CPU市场，x86架构占据着近90%的市场份额，这主要因为多年来x86处理器与Windows系统之间的生态的捆绑；在移动CPU市场，则几乎完全由ARM架构统治，也得益于过去十多年来ARM处理器与Android系统之间的生态捆绑。而RISC-V架构所具备的指令精简、模块化、可扩展、开源等特性，所带来的低功耗、低成本、高能效、高可扩展性等优势，也与很多物联网应用天然契合，这也正是RISC-V迅速在物联网市场获得成功的关键。

物联网市场虽然整体市场体量不小，但是却非常的碎片化，很多细分市场不仅培育周期长，出货量也很有限，价值量也较低。所以对于RISC-V阵营的厂商来说，要想获得更好的发展，就必须进入到市场更广阔的PC/服务器、移动终端、汽车等高价值市场，与X86、ARM进行正面竞争，而这首先就必须要突破性能上的瓶颈：针对通用计算RISC-V需要进一步的优化，例如IP核设计、处理器架构、编译器等方面，都有待改进以提高其性能核能力；通用计算意味着更复杂的软件生态，而这也是RISC-V亟需完善的地方。

硅谷传奇芯片架构师Jim Keller在玄铁RISC-V生态大会的在线视频演讲中也指出，在AI这一方向上，大家认为RISC-V是为AI而生的架构，“RISC-V的潜力是无限的。例如，未来我们会迎来前所未见的AI软件应用，而RISC-V有望打造出下一代的AI引擎。”

RISC-V提供AI需要的高性能处理器，同时也可以被设计为支持向量处理器（Vector Processor），提供更高的并行计算能力，优化不同的机器学习算法和应用程序。此外，RISC-V提高性能和改善能效比，从而降低数据中心的能源和运营成本，其也可以被设计为多核处理器，提供更高的并行计算能力和更好的负载均衡。RISC-V的开放性和灵活性也使得处理器可以满足不同的特定的服务器应用需求。

所谓时势造英雄，在PC时代，依托Intel等少数巨头的强大技术实力，完全封闭的x86架构成为了PC和服务器的主流架构；而进入移动互联网时代后，更丰富的应用场景让生态的概念愈发重要，采用IP授权模式、「半开放」的ARM架构成功“上位”。移动互联网之后，随着人工智能等技术应用热潮此起彼伏，新型算力需求激增，业界正期待一种完全开源、依托开放生态的全新选择，RISC-V由此开始备受行业追捧，它很可能打破“双寡头”的竞争格局，成为计算架构“第三极”。

RISC-V终露锋芒？

回溯发展历程，RISC-V在证明其商业化价值的路上不可谓不快。在物联网市场站稳脚跟后，快速向更高性能、更加纵深的方向去发展。当前，RISC-V的出货量已经足以证明其具有良好的商用场景，并且已经完成了从物联网单点突破向各领域多点开花的生态跨越，RISC-V步入生态大繁荣的前夜。

无论是x86还是ARM架构，都是在新兴市场和新兴应用中成长起来的。RISC-V也要率先找到突破口，形成规模化应用的示范效应，再逐渐向更多领域扩展，然后形成一个“滚雪球”似的生态循环。随着RISC-V生态完备度及市场需求进一步增长，从物联网市场走向高性能领域是RISC-V近年来的发展主线，也是芯片架构走向主流的重要标志。

AI正成为RISC-V的新机遇。越来越多的AI引擎采用RISC-V，有直接采用RISC-V Vector、Matrix指令实现弹性算力的，也有采用RISC-V作为主控，实现NPU（网络处理器）加速引擎的。

· 2023年5月，Meta基于RISC-V架构推出首代AI推理加速器。

· 2023年6月，谷歌、英特尔、英伟达、高通、阿里等13家企业发起的全球RISC-V软件生态计划“RISE”正式启动，旨在加速RISC-V的软件生态建设及应用商业化进程，成员将联合推动RISC-V处理器在移动通信、数据中心、边缘计算及自动驾驶等领域的市场化落地。

· 2023年10月，高通宣布将与谷歌合作推出基于RISC-V架构、支持Wear OS系统的智能穿戴芯片，并将在全球市场进行商用推广。

有研究显示云计算处理了近95%的工作负载和计算实例，是对芯片底层技术要求最高的领域之一，如果一个指令集不能在云数据中心实现规模化应用，很难称其在云计算领域获得了成功。一般来说，芯片指令集走向云计算可以分为四个阶段。第一个阶段是指令集的设计和完善以及高性能芯片设计制造；第二个阶段是服务器等整机设备的研发；第三个阶段是应用生态适配；第四个阶段是大规模应用普及。目前业界已经突破了高性能RISC-V芯片的设计制造和服务器的研发，正在积极推进云计算应用生态的适配。

RISC-V在国际上已经形成了一定范围内的技术共识，有较好的技术委员会指导，有助于建立体系化、繁荣的生态。根据投资机构ARK Invest的预测，到2030年，ARM和RISC-V可能成为新的处理器标准，在云业务领域取代英特尔×86架构，ARM＋RISC-V的组合所占据的市场份额，将从2020年的零，增加至2030年的71%。

在技术创新和市场需求的双轮驱动下，RISC-V发展潜力尽显，被寄予与英特尔x86和ARM架构三分天下的厚望。在此趋势下，RISC-V不断强势扩张自己的“朋友圈”。行业巨头入局 RISC-V，已成为全球技术及市场演进发展的风向标之一。