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“硬件界的Linux”兴起:开源指令集RISC-V迎来机遇

(2022-04-11 14:36:44)
标签:

risc-v

芯片

cpu

微处理器

arm

“硬件界的Linux”兴起:开源指令集RISC-V迎来机遇

微处理器指令集的发展一直以来是影响计算机性能、软硬件生态以及产业市场分类的重要因素。指令是计算机运行最小的功能单位,它指示计算机执行特定的运算操作,因而指令集本身是代码,但却是最低级的代码,它直接面向电路硬件。不同的指令集负责各自的处理器系列,形成了CPU架构。

基于X86和ARM架构的处理器长期占据了全市场98%以上份额,由于处理器指令集属于上游产业的关键技术,中下游厂商大多只能在这二者之间选择,但是ARM的授权费用昂贵,传统X86的授权又过于复杂,行业各方一直期待在CPU架构领域能有更多选择。这些年,一款基于精简指令集的开源指令集架构RISC-V逐渐兴起,其开放、灵活、模块化的特点正广受欢迎,也有业内声音认为被寄予厚望的RISC-V未来有望打破芯片架构原二分市场的格局。

RISC-V的起源、发展与理念逻辑

RISC-V始于2010年加州大学伯克利分校的学术项目,它并非第一款开源的精简指令集,也不是RISC领域打头阵的先锋,但是RISC-V汲取了RISC领域诸多先行者(譬如MIPS架构)的经验教训,结合开源硬件的良好开局势态,在X86与ARM尚未触及或者说是暂时难以企及的空间地段迎来了机遇。

RISC的历史可以追溯到上世纪80年代,当时业界部分人认为简单的指令集其处理器在特定领域可能有用,但是没有人去定义其设计原则,对之研究一直是学术界的兴趣。随着后来智能手机和平板电脑的大量出货,RISC芯片不再局限于嵌入式终端和专有设备,手持专利的ARM一跃成为移动互联时代的芯片架构领衔者,并力压传统X86处理器与之分庭抗礼。芯片设计们逐渐意识到开发一款可以自由运用、允许任何人设计且生产和销售芯片不必支付任何授权费的开源RISC指令集的重要意义。

RISC-V指令集的设计一开始考虑了小型、快速、低功耗的现实来做,设计者们认为一个设计良好的指令集可以是开源的,减少软件成本、让资源重复利用的,他们选择了传播模式更为灵活的BSD开源许可证而非GPL,这样既能吸引商业活跃,又能最大限度调动开源力量的积极性。RISC-V以基金会的形式来维护该指令集架构设计的类似公版的发布,基础指令集由基金会成员表决通过后发布标准,之后趋于稳定。经过短短几年发展,RISC-V国际基金会会员单位遍及诸多知名公司和院校、研究机构,除了像华为、谷歌、阿里、英伟达这样的科技公司,现在甚至有了X86的主导者英特尔的身影。这让RISC-V在业界有了一个响亮的称号——“硬件界的Linux”。

“硬件界的Linux”兴起:开源指令集RISC-V迎来机遇

另一个重要理念是,在现行的指令集设计领域里,新的设计变得罕见,大多数成功的设计反而越来越相似,因而平衡成本和功用就显得非常关键。现代处理器架构CISC与RISC的边际已逐渐模糊,Intel和ARM都在巩固自有优势的基础上不断涉水对方的架构技术。但总的而言,性能和功耗这对二元矛盾是芯片设计的永恒话题,唯有技术进程使之螺旋前行。RISC-V指令集设计就考虑到这点,从一开始就面向不同终端(包括嵌入式设备、个人电脑、移动设备等),因而在指令的取舍与优化、对现代终端的匹配上有更灵活和更宏观的考量。

现芯片架构产业市场格局和RISC-V的未来展望

ARM作为当前两大处理器架构之一,在移动智能市场有着举足轻重的影响。其本身不生产而专门从事设计研发低费用、低功耗处理器芯片,进而将知识产权IP核授权给半导体厂商。有别于传统X86桌面处理器,ARM游走于冯•诺依曼与哈佛架构之间,设计上形成独有的精简指令集ARM架构。

然而不久前,英伟达和软银集团联合宣布终止之前与ARM达成的收购交易引发了业界广泛关注。2016年软银以243亿英镑全资收购ARM,而四年后英伟达意愿出资400亿美元从软银手中购得这一资产。这笔交易受到了监管和行业对手的强大阻力,英伟达最终作罢,软银则另求ARM独立上市。 对于ARM而言,独立上市并非良策而实属无奈,作为一家IP授权公司其营收能力非常有限,如要进入其他领域,又无更好的金主选择。

在这种形势之下,X86架构的主导者英特尔公司突然宣布加入RISC-V国际基金会高级别会员,同时设立了10亿美元的IFS基金,其中很大一部分用于RISC-V研发创新。英特尔令人大跌眼镜的行为实际上并非“叛逆祖宗之制”,而是给了ARM背后一击。因为对ARM而言,真正的威胁并非X86,而是RISC-V。

为什么说RISC-V在X86和ARM两大阵营胶着的局面中迎来机遇?首先,针对X86授权不够灵活和ARM专利费昂贵的问题,中下游企业一直希望在芯片制造领域能有更多选择;其次,RISC-V的起步良好且业界认可,其开源开放、简单易移植、模块化设计等诸多特点广受好评;另外,这些年科技公司自研芯片的趋势愈演愈烈。比如苹果M1芯片的成功和谷歌、英伟达等在云计算、人工智能协处理器上更趋自主研发,RISC-V其前景被一致看好。

“硬件界的Linux”兴起:开源指令集RISC-V迎来机遇

克服弱生态和避免碎片化是RISC-V今后的主要方向,指令集标准化的进度十分缓慢,在正式稳定的版本发布之前,中下游制造商不敢贸然跟进是可以理解的。重要的是,RISC-V作为全新构造没有历史技术包袱的开源指令集,发挥好现有的功耗优势,逐步性能优化精进,将来一旦获得因行业风向而起的重量级生态支持,进入复杂通用的计算领域也是可以期待的。

文/陈徐毅 高级工程师,科技专栏作者,中国计算机学会会员
本文刊发于《创意世界》第160期

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