微處理器指令集的發(fā)展一直以來是影響計算機性能、軟硬件生態(tài)以及產(chǎn)業(yè)市場分類的重要因素。指令是計算機運行最小的功能單位，它指示計算機執(zhí)行特定的運算操作，因而指令集本身是代碼，但卻是最低級的代碼，它直接面向電路硬件。不同的指令集負責各自的處理器系列，形成了CPU架構(gòu)。

基于X86和ARM架構(gòu)的處理器長期占據(jù)了全市場98%以上份額，由于處理器指令集屬于上游產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，中下游廠商大多只能在這二者之間選擇，但是ARM的授權(quán)費用昂貴，傳統(tǒng)X86的授權(quán)又過于復(fù)雜，行業(yè)各方一直期待在CPU架構(gòu)領(lǐng)域能有更多選擇。這些年，一款基于精簡指令集的開源指令集架構(gòu)RISC-V逐漸興起，其開放、靈活、模塊化的特點正廣受歡迎，也有業(yè)內(nèi)聲音認為被寄予厚望的RISC-V未來有望打破芯片架構(gòu)原二分市場的格局。

● RISC-V的起源、發(fā)展與理念邏輯

RISC-V始于2010年加州大學伯克利分校的學術(shù)項目，它并非第一款開源的精簡指令集，也不是RISC領(lǐng)域打頭陣的先鋒，但是RISC-V汲取了RISC領(lǐng)域諸多先行者（譬如MIPS架構(gòu)）的經(jīng)驗教訓，結(jié)合開源硬件的良好開局勢態(tài)，在X86與ARM尚未觸及或者說是暫時難以企及的空間地段迎來了機遇。

RISC的歷史可以追溯到上世紀80年代，當時業(yè)界部分人認為簡單的指令集其處理器在特定領(lǐng)域可能有用，但是沒有人去定義其設(shè)計原則，對之研究一直是學術(shù)界的興趣。隨著后來智能手機和平板電腦的大量出貨，RISC芯片不再局限于嵌入式終端和專有設(shè)備，手持專利的ARM一躍成為移動互聯(lián)時代的芯片架構(gòu)領(lǐng)銜者，并力壓傳統(tǒng)X86處理器與之分庭抗禮。芯片設(shè)計們逐漸意識到開發(fā)一款可以自由運用、允許任何人設(shè)計且生產(chǎn)和銷售芯片不必支付任何授權(quán)費的開源RISC指令集的重要意義。

RISC-V指令集的設(shè)計一開始考慮了小型、快速、低功耗的現(xiàn)實來做，設(shè)計者們認為一個設(shè)計良好的指令集可以是開源的，減少軟件成本、讓資源重復(fù)利用的，他們選擇了傳播模式更為靈活的BSD開源許可證而非GPL，這樣既能吸引商業(yè)活躍，又能最大限度調(diào)動開源力量的積極性。RISC-V以基金會的形式來維護該指令集架構(gòu)設(shè)計的類似公版的發(fā)布，基礎(chǔ)指令集由基金會成員表決通過后發(fā)布標準，之后趨于穩(wěn)定。經(jīng)過短短幾年發(fā)展，RISC-V國際基金會會員單位遍及諸多知名公司和院校、研究機構(gòu)，除了像華為、谷歌、阿里、英偉達這樣的科技公司，現(xiàn)在甚至有了X86的主導(dǎo)者英特爾的身影。這讓RISC-V在業(yè)界有了一個響亮的稱號——“硬件界的Linux”。

另一個重要理念是，在現(xiàn)行的指令集設(shè)計領(lǐng)域里，新的設(shè)計變得罕見，大多數(shù)成功的設(shè)計反而越來越相似，因而平衡成本和功用就顯得非常關(guān)鍵。現(xiàn)代處理器架構(gòu)CISC與RISC的邊際已逐漸模糊，Intel和ARM都在鞏固自有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上不斷涉水對方的架構(gòu)技術(shù)。但總的而言，性能和功耗這對二元矛盾是芯片設(shè)計的永恒話題，唯有技術(shù)進程使之螺旋前行。RISC-V指令集設(shè)計就考慮到這點，從一開始就面向不同終端（包括嵌入式設(shè)備、個人電腦、移動設(shè)備等），因而在指令的取舍與優(yōu)化、對現(xiàn)代終端的匹配上有更靈活和更宏觀的考量。

● 現(xiàn)芯片架構(gòu)產(chǎn)業(yè)市場格局和RISC-V的未來展望

ARM作為當前兩大處理器架構(gòu)之一，在移動智能市場有著舉足輕重的影響。其本身不生產(chǎn)而專門從事設(shè)計研發(fā)低費用、低功耗處理器芯片，進而將知識產(chǎn)權(quán)IP核授權(quán)給半導(dǎo)體廠商。有別于傳統(tǒng)X86桌面處理器，ARM游走于馮?諾依曼與哈佛架構(gòu)之間，設(shè)計上形成獨有的精簡指令集ARM架構(gòu)。

然而不久前，英偉達和軟銀集團聯(lián)合宣布終止之前與ARM達成的收購交易引發(fā)了業(yè)界廣泛關(guān)注。2016年軟銀以243億英鎊全資收購ARM，而四年后英偉達意愿出資400億美元從軟銀手中購得這一資產(chǎn)。這筆交易受到了監(jiān)管和行業(yè)對手的強大阻力，英偉達最終作罷，軟銀則另求ARM獨立上市。 對于ARM而言，獨立上市并非良策而實屬無奈，作為一家IP授權(quán)公司其營收能力非常有限，如要進入其他領(lǐng)域，又無更好的金主選擇。

在這種形勢之下，X86架構(gòu)的主導(dǎo)者英特爾公司突然宣布加入RISC-V國際基金會高級別會員，同時設(shè)立了10億美元的IFS基金，其中很大一部分用于RISC-V研發(fā)創(chuàng)新。英特爾令人大跌眼鏡的行為實際上并非“叛逆祖宗之制”，而是給了ARM背后一擊。因為對ARM而言，真正的威脅并非X86，而是RISC-V。

為什么說RISC-V在X86和ARM兩大陣營膠著的局面中迎來機遇？首先，針對X86授權(quán)不夠靈活和ARM專利費昂貴的問題，中下游企業(yè)一直希望在芯片制造領(lǐng)域能有更多選擇；其次，RISC-V的起步良好且業(yè)界認可，其開源開放、簡單易移植、模塊化設(shè)計等諸多特點廣受好評；另外，這些年科技公司自研芯片的趨勢愈演愈烈。比如蘋果M1芯片的成功和谷歌、英偉達等在云計算、人工智能協(xié)處理器上更趨自主研發(fā)，RISC-V其前景被一致看好。

克服弱生態(tài)和避免碎片化是RISC-V今后的主要方向，指令集標準化的進度十分緩慢，在正式穩(wěn)定的版本發(fā)布之前，中下游制造商不敢貿(mào)然跟進是可以理解的。重要的是，RISC-V作為全新構(gòu)造沒有歷史技術(shù)包袱的開源指令集，發(fā)揮好現(xiàn)有的功耗優(yōu)勢，逐步性能優(yōu)化精進，將來一旦獲得因行業(yè)風向而起的重量級生態(tài)支持，進入復(fù)雜通用的計算領(lǐng)域也是可以期待的。

文/陳徐毅 高級工程師，科技專欄作者，中國計算機學會會員

本文刊發(fā)于《創(chuàng)意世界》第160期