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不久前，特斯拉加入 RISC-V 基金會，并考慮在新款芯片中使用免費(fèi)的 RISC-V 設(shè)計(jì)。至此，已有 IBM、NXP、西部數(shù)據(jù)、英偉達(dá)、高通、三星、谷歌、華為等 100 多家科技公司加入 RISC-V 陣營。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因一方面是因?yàn)?ARM 的授權(quán)費(fèi)用實(shí)在太貴了，另一方面也是因?yàn)?RISC-V 提供指令集徹底開放，非常有希望成為 CPU 領(lǐng)域的 Linux。正是因?yàn)榭春?RISC-V 的未來，不少科技巨頭在 RISC-V 還是潛力股的時(shí)候趁早下注。

RISC-V 的誕生

在 2010 年，加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在準(zhǔn)備啟動一個(gè)新項(xiàng)目，而要設(shè)計(jì) CPU，必然要選擇一種指令集，然而，X86 指令集被英特爾控制的死死的，ARM 的指令集授權(quán)費(fèi)又非常貴，MIPS、SPARC、PowerPC 也存在知識產(chǎn)權(quán)問題。

在這種情況下，伯克利的研究團(tuán)隊(duì)決定從零開始設(shè)計(jì)一套全新的指令集。且這款新指令集要能滿足從微控制器到超級計(jì)算機(jī)等各種尺寸的處理器。 正如行業(yè)內(nèi)常說的，設(shè)計(jì)一套指令集并非黑科技，用這套指令集去實(shí)現(xiàn) CPU 才是真正具有含金量的工作。伯克利的研究團(tuán)隊(duì)直用了 3 個(gè)月就完成了 RISC-V 的指令集開發(fā)，并公開發(fā)布了第一版指令集。

該指令集的第一個(gè)版本只包含了不到50條指令，可以用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)具備定點(diǎn)運(yùn)算和特權(quán)模式等基本功能的處理器。如果用戶需要的話，也可以根據(jù)自己的需求自定義新指令。

這樣一來，這套指令集兼具精簡和靈活兩大特點(diǎn)。隨后，伯克利的研究團(tuán)隊(duì)將這個(gè)新指令集命名為 RISC-V，RISC 指的是精簡指令集的意思，V 是羅馬字母，代表第五代的意思。因?yàn)椴死中５?David Patterson 教授在此之前已經(jīng)研制了四代處理器芯片。

更關(guān)鍵的是，伯克利研究團(tuán)隊(duì)將 RISC-V 指令集徹底開放，使用 BSD License 開源協(xié)議，這就使 RISC-V 不像 ARM、PowerPC 等指令集那樣需要付費(fèi)授權(quán)才能使用。而且 BSD 開源協(xié)議給予使用者很大自由，允許使用者修改和重新發(fā)布開源代碼，也允許基于開源代碼開發(fā)商業(yè)軟件發(fā)布和銷售。怎么說呢，像Linux 的 GPL 協(xié)議，就限制了商業(yè)公司的行為。而 BSD 開源協(xié)議則不同，蘋果的 iOS 就基于 BSD 內(nèi)核，但使用開源軟件之后，因?yàn)?BSD 開源協(xié)議給了蘋果很大的自由度，蘋果依舊可以將 iOS 閉源并在商業(yè)市場賺錢。

對于大學(xué)和科研院所等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)來說，RISC-V 也是非常有價(jià)值的。中科院計(jì)算所包云崗研究員團(tuán)隊(duì)在做一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，最初選擇了 SUN 的 Open Sparc T1，然而這款處理器的社區(qū)活躍度和軟件支持都不行，而且獨(dú)立性比較差。然后又選擇了 Micro Blaze，然而這款處理器卻不開源。最后把目光轉(zhuǎn)向了 RISC-V，并完成了科研項(xiàng)目。相關(guān)技術(shù)成果被華為用在海思的 ARM 服務(wù)器 CPU 上。

正是因?yàn)?RISC-V 選擇了對商業(yè)公司非常友好的 BSD 開源協(xié)議，以及 RISC-V 兼具精簡和靈活等優(yōu)點(diǎn)，眾多商業(yè)公司紛紛關(guān)注 RISC-V。

RV12 RISC-V 處理器

RISC-V 有望復(fù)制 Linux 的成功

目前，在 CPU 上，X86 和 ARM 是兩大霸主。然而這兩位霸主都非常霸道，英特爾根本不允許除 AMD和 VIA 之外的任何一家公司使用 X86 指令集，而且一旦 AMD 被收購，X86 指令集授權(quán)都要重新談判。即便是全美達(dá)想通過翻譯打插邊球，結(jié)果也被英特爾用專利訴訟拖死了。

類似的，ARM 雖然比英特爾好一些，但也僅僅是好一些而已。在指令集授權(quán)上也非常吝嗇，獲得 ARM32 授權(quán)的公司一只手都能數(shù)的過來，ARM64 授權(quán)雖然多一些，但授權(quán)費(fèi)卻異常昂貴，法國芯片創(chuàng)業(yè)公司Greenwave 表示，他們?nèi)绻褂?ARM 架構(gòu)，要花掉 1500 萬美元的授權(quán)費(fèi)。而且授權(quán)到期后，是否繼續(xù)授權(quán)和授權(quán)費(fèi)用都要重新談判。

正是因?yàn)?X86 和 ARM 在授權(quán)上異常苛刻，很多大公司都對英特爾和 ARM 非常不滿，而這恰恰給了 RISC-V 這樣的后起之秀機(jī)會。包括谷歌、華為、IBM、鎂光、英偉達(dá)、高通、三星、西部數(shù)據(jù)等商業(yè)公司，以及加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、ETH Zurich、印度理工學(xué)院、洛倫茲國家實(shí)驗(yàn)室、新加坡南洋理工大學(xué)以及中科院計(jì)算所等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)紛紛加盟 RISC-V。在 2017 年 11 月召開的第 7 屆 RISC-V Workshop 上，全球共有 138 個(gè)公司、35 所大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)參會。

除了商業(yè)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)之外，印度政府更是對 RISC-V 情有獨(dú)鐘。在 2011 年，印度開始實(shí)施處理器戰(zhàn)略計(jì)劃，在全國范圍資助 2-3 個(gè)研制處理器的項(xiàng)目。印度理工學(xué)院馬德拉斯分校的 G. S. Madhusudan 與 V. Kamakoti 教授在該計(jì)劃支持下啟動了 SHAKTI 處理器項(xiàng)目。SHAKTI 項(xiàng)目就選擇了 RISC-V，并獲得印度政府超過 9000 萬美元的經(jīng)費(fèi)支持。

在 2016 年，印度先進(jìn)計(jì)算發(fā)展中心獲得印度電子信息技術(shù)部 4500 萬美元的資助，目標(biāo)研制一款基于 RISC-V 指令集的 2GHz 四核處理器。

在過去數(shù)年中，印度政府資助的處理器相關(guān)項(xiàng)目都開始向 RISC-V 靠攏，RISC-V 成為了印度的事實(shí)國家指令集。

目前，伯克利研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了基于 RISC-V 指令集的順序執(zhí)行的 64 位處理器核心（代號為 Rocket），并前后基于 45nm 與 28nm 工藝進(jìn)行了 12 次流片。Rocket 芯片主頻大于 1GHz，與 ARM Cortex-A5 相比，實(shí)測性能較之高 10%，面積效率高 49%，單位頻率動態(tài)功耗僅為 Cortex-A5 的 43%。在嵌入式領(lǐng)域，Rocket 已經(jīng)可以和 ARM 爭市場了。

正是因此，西部數(shù)據(jù)聲明，每年將使用 10 億個(gè) RISC-V 核；英偉達(dá)也宣布，將把 RISC-V 用于 GPU 內(nèi)部的控制器。美國 DARPA 也資助一些公司基于 RISC-V 設(shè)計(jì)航天器的宇航芯片；還有眾多商業(yè)公司計(jì)劃基于 RISC-V 開發(fā)面向 IoT 的智能芯片，面向安全的芯片，以及服務(wù)器上的主板管理控制器等。在軟件生態(tài)方面，也逐步在完善，比如調(diào)試工具鏈、中斷控制器、JVM、LLVM、Python 等開發(fā)者常用的軟件工具都在完善之中。

正是依靠開源和免費(fèi)，全世界的商業(yè)公司、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都可以開發(fā)兼容 RISC-V 指令集的處理器，而且不需要支付一分錢的費(fèi)用。這使 RISC-V 有望被全球的開發(fā)者廣泛應(yīng)用，并復(fù)制 Linux 的奇跡。何況 RISC-V 的 BSD 開源協(xié)議，比 GPL 協(xié)議對商業(yè)公司更加友好，使商業(yè)公司有很強(qiáng)的動力去推動這件事。

結(jié)語

誠然，依靠開源和免費(fèi)，RISC-V 非常受大學(xué)和科研院所青睞，并有望在教學(xué)領(lǐng)域大展拳腳，而這又會給 RISC-V 培養(yǎng)源源不斷的后備軍。對于商業(yè)公司來說，由于 ARM 的授權(quán)費(fèi)實(shí)在是太貴了，也有較強(qiáng)的動力去做 RISC-V，給自己留一個(gè)備份，避免被綁死在 ARM 上。

不過，RISC-V 也存在一個(gè)隱憂，那就是缺乏強(qiáng)有力的主導(dǎo)者，進(jìn)而導(dǎo)致破碎化的問題。當(dāng)年的MIPS其實(shí)也非常學(xué)院派，MIPS 陣營的商業(yè)公司可以自由添加指令，比如龍芯就以 MIPS 為基礎(chǔ)添加了 1000 多條新指令，進(jìn)而形成了自己的指令集 LoongISA。這又使開發(fā)軟件的時(shí)候，即便同樣屬于 MIPS，也必須分為龍芯版和 MIPS 版……

由于 RISC-V 也允許用戶自己加新指令，這就有可能使 RISC-V 破碎化，也許未來華為、高通、谷歌開發(fā)出的 RISC-V 處理器雖然都屬于 RISC-V，但卻不能跑同樣一套軟件。

畢竟完全開放與有力的領(lǐng)導(dǎo)是一對矛盾，如果無法解決這個(gè)問題，恐怕 RISC-V 很難成長到能與 X86 和ARM 爭雄的水平。

感謝中科院計(jì)算所包云崗研究員對本文的指導(dǎo)！

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