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芯片行業(yè)落后三四十年的中國，能否借RISC-V發(fā)展契機直擊行業(yè)“金字塔尖”，絕地求生。

近日，由海淀區(qū)政府、北京市科委、北京微芯邊緣計算研究院共同發(fā)起，中關(guān)村科學城開源芯片源碼創(chuàng)新中心成立。創(chuàng)新中心將推動芯片設(shè)計領(lǐng)域全球標準創(chuàng)建，建設(shè)國際開源平臺，提升我國芯片設(shè)計硬實力和自主可控核心能力。

眾所周知，芯片的架構(gòu)設(shè)計一直被譽為芯片行業(yè)的“金字塔尖”，難度巨大，且一直被國外壟斷。

此次，中關(guān)村科學城開源芯片源碼創(chuàng)新中心的成立，旨在搶抓RISC-V芯片生態(tài)發(fā)展機遇期，構(gòu)建RISC-V芯片創(chuàng)新生態(tài)，打造我國自己的芯片和架構(gòu)。

多年來，由ARM公司主導的ARM架構(gòu)、與英特爾主導的X86架構(gòu)是全球芯片領(lǐng)域的主流架構(gòu)。隨著人工智能等前沿科技發(fā)展，這些老牌的主流架構(gòu)開始面臨眾多挑戰(zhàn)，不少科技巨頭紛紛轉(zhuǎn)向RISC-V架構(gòu)。RISC-V因其靈活、精簡、開源等特性，成為全球芯片領(lǐng)域備受關(guān)注的架構(gòu)，也被視為中國芯的“新機遇”。

全球芯片領(lǐng)域主流架構(gòu)“兩極爭霸”的局面或許將會變?yōu)椤叭愣αⅰ钡男缕隆?

RISC-V突圍的故事，還是要從兩大巨頭如何形成開始說起。

初代芯片王朝的崛起

學過半導體的人都知道一句話，CPU的發(fā)展史簡單來說就是Intel公司的發(fā)展歷史。從1971年，Intel推出了世界上第一款微處理器至今，CPU的發(fā)展已經(jīng)有近五十多年的歷史。而Intel在CPU發(fā)展前進的每一步上都留下了濃墨重彩的一筆。

1968年，戈登·摩爾和羅伯特·諾伊斯在硅谷創(chuàng)辦了Intel公司。戈登·摩爾，正是大家所熟知的“摩爾定律”的提出者。

1971年，世界上第一塊微處理器4004在Intel公司誕生了，片內(nèi)集成了2250個晶體管，晶體管之間的距離是10微米，能夠處理4bit的數(shù)據(jù)，每秒運算6萬次，頻率為108KHZ，前端總線為0.74MHz （4bit）。

沒有微處理器，個人計算機就不可能出現(xiàn)，而沒有個人計算機，就不可能有后來的互聯(lián)網(wǎng)革命。可以說，微處理器的出現(xiàn)，改變了整個世界。

1978年6月8日，Intel生產(chǎn)出了世界上第一款16位的微處理器并命名為“i8086”。

i8086的出現(xiàn)也同時開創(chuàng)了一個新時代：X86架構(gòu)誕生了，它定義了芯片的基本使用規(guī)則。

X86架構(gòu)指的是CPU執(zhí)行的一些計算機語言指令集，由于Intel從8086開始，此后升級的每一代芯片（例如80186、80286等）都用的同一種CPU架構(gòu)，所以人們將這些指令集統(tǒng)一稱之為X86指令集，也就是所說的X86架構(gòu)。

1981年使用X86架構(gòu)的8088芯片首次用于IBM PC機中，開創(chuàng)了全新的微機時代，也就是大家熟知的個人PC時代。

1993年，Intel推出了奔騰處理器Pentium。Pentium是x86系列一大革新。其中晶體管數(shù)大幅提高、增強了浮點運算功能、并把十年未變的工作電壓降至3.3V。這樣不僅可以大幅減少功耗，也讓性能有了新的突破。

奔騰處理器的誕生，讓Intel公司甩掉了只會做低性能處理器的帽子，其運行速度達到工作站處理器的水平。Intel一舉超過所有日本半導體公司，坐上了半導體行業(yè)的頭把交椅。

此后，以Intel、AMD等公司為代表的X86架構(gòu)芯片遍橫掃世界，統(tǒng)治了個人PC與服務(wù)器時代，書寫著王朝的史詩。

王朝演替，各據(jù)半壁江山

技術(shù)決定能否提供需求，而需求也決定了技術(shù)發(fā)展的方向。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，人們對電腦等大型設(shè)備需求降低，對手機等移動設(shè)備需求顯著提升，在這個需求變革契機，另一巨頭ARM顯現(xiàn)出來，開啟了自己的傳奇。

1981年，電子設(shè)備設(shè)計和制造公司Acorn迎來了一個難得的機遇，英國廣播公司BBC打算在整個英國播放一套提高電腦普及水平的節(jié)目，他們希望Acorn公司能生產(chǎn)一款與之配套的電腦。

接下這個任務(wù)之后，Acorn公司就開始干了起來。很快他們就發(fā)現(xiàn)，自己產(chǎn)品的硬件設(shè)計并不能滿足需求。當時CPU的發(fā)展潮流，正在從8位變成16位，性能正在大幅提升。Acorn自己并不能制造生產(chǎn)芯片，他們只能去尋找其他廠商合適的芯片。

一開始，他們打算使用美國國家半導體和摩托羅拉公司的16位芯片。但是，經(jīng)過評估后，他們發(fā)現(xiàn)了兩個缺陷：第一，芯片的執(zhí)行速度有點慢，中斷的響應時間太長。第二，售價太貴，一臺500英鎊的電腦，處理器芯片就占到100英鎊。

于是他們打算去找當時如日中天的Intel，希望對方提供當時代表最先進技術(shù)的80286處理器的設(shè)計資料和樣品，但是，卻遭到了拒絕。無奈下Acorn公司只能自己造芯片。

經(jīng)過多年的奮斗，Acorn最終完成了CPU的設(shè)計。對于這塊芯片，Acorn給它命名為Acorn RISC Machine。這也就是這就是大名鼎鼎的“ARM”三個字母的由來。后來的ARM架構(gòu)，指的也是設(shè)計這款芯片時采用的架構(gòu)。

1985年，Acorn研發(fā)出來的第一款處理器芯片的型號，被定為 ARM1。但是，就在同一年，1985年10月，英特爾發(fā)布了80386。在80386面前，ARM1顯得弱小不堪。在ARM1之后，Acorn陸續(xù)推出了好幾個系列，例如ARM2，ARM3。

1990年，Acorn公司正式改組為ARM計算機公司——Advanced RISC Machines（雖然縮寫相同，但ARM芯片是Acorn RISC Machine的縮寫）。ARM公司是Acorn、蘋果、諾基亞、VLSI、Technology等公司的合資企業(yè)。

雖然Intel持續(xù)邁向X86高效能設(shè)計，而ARM則專注于低成本、低功耗的研發(fā)方向。兩者看似有著不同的方向，但在Intel強大的統(tǒng)治下，ARM并不好過。

在這個情況下，ARM決定改變他們的產(chǎn)品策略，他們不再生產(chǎn)芯片，轉(zhuǎn)而以IP授權(quán)的商業(yè)模式，將芯片設(shè)計方案轉(zhuǎn)讓給其他公司。簡單來說就是，ARM不再像Intel一樣，一顆芯片的設(shè)計、制作、封裝都由自己來完成，它相當于出售自己的“設(shè)計圖紙”，剩下的由購買方自己去完成。

沒想到正是這種模式，開創(chuàng)了屬于ARM的全新時代。

1991年，ARM將產(chǎn)品授權(quán)給英國GEC Plessey半導體公司。

1993年，ARM將產(chǎn)品授權(quán)給Cirrus Logic和德州儀器（Texas Instruments，TI）。

與德州儀器的合作，給ARM公司帶來了重要的突破。而且，也給ARM公司樹立了聲譽，證實了授權(quán)模式的可行性。

此后，越來越多的公司參與到這種授權(quán)模式中，與ARM建立了合作關(guān)系。其中就包括三星、夏普等公司。

因為手機不需要像電腦那樣強大的性能，它們更需要便捷性與低功耗，所以手機廠商不需要X86架構(gòu)那樣強大的性能，因此大量使用ARM架構(gòu)去設(shè)計，隨著移動手機井噴式的增長，ARM架構(gòu)也隨之水漲船高。

2007年，真正的劃時代產(chǎn)品出現(xiàn)了。那就是iPhone。

蘋果iPhone的出現(xiàn)，徹底顛覆了移動電話的設(shè)計，開啟了全新的時代。第一代iPhone，使用了ARM設(shè)計、三星制造的芯片。

iphone的熱銷，App Store的迅速崛起，讓全球移動應用徹底綁定在ARM指令集上。緊接著，2008年，谷歌推出了Android（安卓）系統(tǒng)，也是基于ARM指令集。

至此，智能手機進入了飛速發(fā)展階段，ARM也因此奠定了在智能手機市場的霸主地位。

2011年，就連傳統(tǒng)Wintel聯(lián)盟（windows+intel）的微軟，也宣布Windows8平臺將正式支持ARM架構(gòu)處理器。這是計算機工業(yè)發(fā)展歷史上的一件大事，標志著X86架構(gòu)處理器的主導地位發(fā)生動搖，也標志著ARM架構(gòu)處理器正式成為另一新的巨頭。

巨頭弊端顯現(xiàn)，夾縫中殺出的RISC-V

兩大巨頭，一個演繹著PC時代的神話，一個在移動互聯(lián)網(wǎng)時代稱霸。兩種不同架構(gòu)各有側(cè)重。可以說是優(yōu)勢互補、無法替代的關(guān)系。

而在下一個時代，物聯(lián)網(wǎng)的時代，他們是否還能繼續(xù)穩(wěn)穩(wěn)坐在第一的位置上？

CISC(復雜指令集)和RISC(精簡指令集)是當前CPU的兩種架構(gòu)分別采用的指令集。X86架構(gòu)采用CISC，ARM架構(gòu)采用RISC。

從性能上看，X86架構(gòu)的芯片，無論如何都比ARM架構(gòu)的芯片在更快、更強。

X86架構(gòu)的CPU運行起來，隨便就是1G以上的運行內(nèi)存，并可以采用雙核、四核等模式來加強性能，通常使用45nm（甚至更高級）制程的工藝進行生產(chǎn)。而ARM架構(gòu)方面：CPU通常是幾百兆的運行內(nèi)存，最近才出現(xiàn)1G左右的CPU，制程通常使用不到65nm制程的工藝。

可以說，在性能和生產(chǎn)工藝方面ARM架構(gòu)根本不是X86架構(gòu)的對手。

但ARM架構(gòu)的優(yōu)勢不在于性能強大而在于效率，ARM架構(gòu)采用RISC流水線指令集，在完成綜合性工作方面處于劣勢，但在一些任務(wù)相對固定的應用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。

從拓展能力來看，X86架構(gòu)的設(shè)備采用“橋”的方式與擴展設(shè)備，如硬盤、內(nèi)存等，進行連接，而且X86架構(gòu)的設(shè)備出現(xiàn)了近30年，其配套擴展的設(shè)備種類多、價格也比較便宜，所以X86架構(gòu)的電腦能很容易進行性能擴展，如增加內(nèi)存、硬盤等。

ARM架構(gòu)的設(shè)備是通過專用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存儲設(shè)備進行連接，所以ARM的存儲、內(nèi)存等性能擴展難以進行，一般在產(chǎn)品設(shè)計時已經(jīng)定好其內(nèi)存及數(shù)據(jù)存儲的容量，所以采用ARM架構(gòu)的系統(tǒng)，一般不考慮擴展?；痉钚小皦蛴镁秃谩薄钡脑瓌t。

從功耗來看，高功耗導致了一系列X86架構(gòu)無法解決的問題出現(xiàn)：系統(tǒng)的續(xù)航能力弱、體積無法縮小、穩(wěn)定性差、對使用環(huán)境要求高等問題。從這里我們可以發(fā)現(xiàn)X86架構(gòu)與ARM架構(gòu)是在兩個完全不同領(lǐng)域方面的應用，它們之間根本不存在替換性。

在服務(wù)器、工作站以及其他高性能運算等應用方面，可以不考慮功耗和使用環(huán)境等條件，這時X86架構(gòu)占了優(yōu)絕對優(yōu)勢；但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務(wù)固定的情況下ARM架構(gòu)就占有很大的優(yōu)勢，在手持式移動終端領(lǐng)域，X86架構(gòu)的功耗更使其毫無用武之地。

相比于X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)，RISC-V架構(gòu)顯得有點名不見經(jīng)傳。

RISC-V，一般念做：riskfive。V，就是羅馬數(shù)字5。

很多人提到RISC-V，都會說它是開源芯片。其實這種說法不是很準確。準確來說，RISC-V是一個基于“RISC（精簡指令集）”原則的開源指令集架構(gòu)，是RISC架構(gòu)的子集。

既然是RISC架構(gòu)的子集，那么它為什么敢挑戰(zhàn)兩大架構(gòu)的地位？

其實這與芯片行業(yè)目前的格局與發(fā)展方向有關(guān)。

現(xiàn)如今，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，越來越多的企業(yè)希望生產(chǎn)和制造服務(wù)于各個垂直行業(yè)的終端和模組。

但X86架構(gòu)一直是Intel和AMD兩家公司掌握的封閉性技術(shù)，沒有明確的知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)模式。而ARM架構(gòu)則需要上億高昂的授權(quán)費用。這都使得中小企業(yè)、創(chuàng)新企業(yè)望而卻步。

這時，RISC-V出現(xiàn)在了人們的視野。RISC-V基于小型、快速、低功耗等現(xiàn)實情況設(shè)計，而且其設(shè)計者也并沒有對特定的微架構(gòu)進行過度的設(shè)計，恰巧可以滿足物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器：低性能，結(jié)構(gòu)簡單，低功耗的需求。

突圍成功還是失敗

RISC-V的眾多優(yōu)點是可以看得到的，RISC-V架構(gòu)采用的開源方式，其指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件而不必支付給任何公司專利費。

雖然這不是第一個開源指令集，但它具有重要的意義：RISC-V的設(shè)計可以完全適用于現(xiàn)代計算設(shè)備（如倉庫規(guī)模云計算機、高端移動電話和微小嵌入式系統(tǒng)）；設(shè)計者考慮了不同用途的性能與功率效率；RISC-V還擁有眾多支持軟件，這解決了新指令集通常的弱點。

中國工程院院士倪光南多次在公開演講中表示，RISC-V的優(yōu)勢，在于其包含了CPU發(fā)展過程中優(yōu)秀的創(chuàng)新點，在技術(shù)上非常完備。因為“年輕”，它不僅非常精簡，而且沒有所謂的“歷史包袱”。比如，一個技術(shù)手冊，由于ARM和英特爾都需要與自己的上一代產(chǎn)品兼容，可能需要2000多頁，而RISC-V卻只需要幾百頁。

但倪光南院士也給出幾點警示，對于移動端和 PC 端市場而言，RISC-V 的生態(tài)遠未成熟到與英特爾、ARM 等“王朝元老”相匹敵的地步。

首先RISC-V架構(gòu)開源規(guī)則本身有一定的局限性。RISC-V強調(diào)完全開源的設(shè)計，并且讓取用者可任意加上專屬指令集，甚至可以自由選擇將架構(gòu)封閉還是維持開源。這樣就導致了 RISC-V架構(gòu)可能出現(xiàn)，雖然擁有更多的指令集，卻無法共用的問題。

當各個公司做出具有本身公司特色的芯片時，如果他們選擇將自己的專屬指令集保密，那么若干年后，很可能出現(xiàn)芯片互不兼容的情況，而這樣的碎片化問題往往是不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的。

就像Android（安卓）系統(tǒng)本身是一個開源的系統(tǒng)，但經(jīng)過華為、小米、OPPO等廠商各自開發(fā)成自己的系統(tǒng)之后，就變得不在互相兼容了，這也是RISC-V架構(gòu)開源規(guī)則本身的局限性。

此外，RISC-V架構(gòu)生態(tài)欠缺。目前，英特爾推動的x86架構(gòu)市場依舊龐大，幾乎從傳統(tǒng)PC 到數(shù)據(jù)中心規(guī)模的服務(wù)器都在使用基于x86架構(gòu)的處理器，同時相關(guān)軟件帶動的應用服務(wù)也有長達40年的優(yōu)化發(fā)展歷史。

對于ARM架構(gòu)已產(chǎn)生的龐大市場應用規(guī)模，RISC-V架構(gòu)更加難以取代，而且ARM的IP授權(quán)模式已經(jīng)趨于完善，盡管授權(quán)費用高昂，但各大廠商依舊樂此不疲，例如我國華為海思、展訊、中興、全志等芯片皆是采用ARM架構(gòu)。

雖然RISC-V架構(gòu)剛剛起步，還面臨著眾多不確定性，但從1958年集成電路發(fā)明以來，我們也看到了整個產(chǎn)業(yè)發(fā)生了多次的變遷，無論是市場的轉(zhuǎn)變，還是技術(shù)的創(chuàng)新，行業(yè)一直在帶給我們驚喜。

RISC-V架構(gòu)具有簡單和靈活的特性，非常適合部署到物聯(lián)網(wǎng)、控制器、數(shù)據(jù)中心的專用芯片和邊緣計算等應用場景，具有廣大前景。未來，希望具備“得天獨厚”優(yōu)勢的 RISC-V能隨著我國物聯(lián)網(wǎng)的先發(fā)優(yōu)勢而大放異彩，成為趕超歐美的新動力。