芯片也開(kāi)源？網(wǎng)紅RISC-V，它到底是什么東東？
今天小棗君給大家介紹一個(gè)開(kāi)源的東西，那就是現(xiàn)在半導(dǎo)體行業(yè)的網(wǎng)紅、被很多人稱之為“開(kāi)源芯片”的RISC-V。
說(shuō)到芯片，自從中興被美國(guó)禁運(yùn)事件起，國(guó)人對(duì)芯片的關(guān)注度被提升到前所未有的高度。似乎一夜之間，所有人都知道了芯片的重要性，體會(huì)到“缺芯”會(huì)導(dǎo)致多么嚴(yán)重的后果。
今年，華為又被美國(guó)政府盯上，列入了實(shí)體名單，再次引發(fā)全國(guó)范圍對(duì)芯片自主研發(fā)能力的關(guān)注和討論。
內(nèi)外因的綜合作用下，國(guó)家重點(diǎn)加強(qiáng)了對(duì)芯片領(lǐng)域的投資，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始重視對(duì)芯片研發(fā)的投入。
而RISC-V，在這個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將很可能發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。
究竟什么是RISC-V？
RISC-V，一般被念做：risk five。V，就是羅馬數(shù)字5。
很多人提到RISC-V，都會(huì)說(shuō)它是開(kāi)源芯片。其實(shí)這種說(shuō)法是不對(duì)的。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，RISC-V是一個(gè)基于“精簡(jiǎn)指令集（RISC）”原則的開(kāi)源指令集架構(gòu)。
別怕！我可以通俗地解釋一下！——
指令集，對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，就是介于軟件和底層硬件之間的一套程序指令的合集。指令集存儲(chǔ)于CPU內(nèi)部，引導(dǎo)CPU進(jìn)行運(yùn)算，并幫助CPU更高效地運(yùn)行。
PC電腦里面的CPU芯片（中央處理器）
我們現(xiàn)在常用的臺(tái)式機(jī)電腦或服務(wù)器，使用的主要是英特爾和AMD公司的CPU。這類CPU使用的指令集，屬于“CISC復(fù)雜指令集”。CISC，就是Complex Instruction Set Computer（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）。
一款CPU支持的指令集，可以有很多種。
早期計(jì)算機(jī)的CPU，都是基于CISC架構(gòu)的。
當(dāng)時(shí)編譯器的技術(shù)并不純熟，程序都會(huì)直接以機(jī)器碼或是組合語(yǔ)言寫(xiě)成，為了減少程序的設(shè)計(jì)時(shí)間，逐漸開(kāi)發(fā)出單一指令，復(fù)雜操作的程序代碼。設(shè)計(jì)師只需寫(xiě)下簡(jiǎn)單的指令，再交給CPU去執(zhí)行。
但是后來(lái)有人發(fā)現(xiàn)，整個(gè)指令集中，只有約20％的指令常常會(huì)被使用到，大約占了整個(gè)程序的80％；剩余80％的指令，只占了整個(gè)程序的20％。（典型的二八原則）
于是，1979年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的David Patterson教授提出了RISC的想法，主張硬件應(yīng)該專心加速常用的指令，較為復(fù)雜的指令則利用常用的指令去組合。
RISC，就是Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CISC任務(wù)處理能力強(qiáng)， 適合桌面電腦和服務(wù)器。但高性能也帶來(lái)高功耗的問(wèn)題。
而RISC通過(guò)精簡(jiǎn)CISC指令種類，格式，簡(jiǎn)化尋址方式，達(dá)到省電高效的效果，適合手機(jī)、平板、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品或物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。
上個(gè)世紀(jì)80年代，ARM公司就是基于RISC架構(gòu)開(kāi)始做自己的芯片，最終一步一步崛起，戰(zhàn)勝了英特爾，成為現(xiàn)在的移動(dòng)芯片之王。如今，包括華為麒麟、高通驍龍?jiān)趦?nèi)的大部分手機(jī)終端和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備芯片，都是基于ARM的架構(gòu)設(shè)計(jì)。
注意，我說(shuō)的是ARM的架構(gòu)，而不是ARM的芯片產(chǎn)品。
ARM這家公司的商業(yè)模式很特別。它做的是芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)，相當(dāng)于畫(huà)工程圖紙，然后把圖紙賣(mài)給各大芯片制造公司，例如華為。這些公司基于這個(gè)原始圖紙，進(jìn)行修改，最終設(shè)計(jì)自己想要的芯片，交付芯片工廠（例如臺(tái)積電）去生產(chǎn)出來(lái)。
當(dāng)然了，ARM的圖紙并不是免費(fèi)的。不僅不免費(fèi)，而且價(jià)格非常昂貴。
根據(jù)網(wǎng)上的資料顯示，ARM的授權(quán)費(fèi)從幾十萬(wàn)美元到幾百上千萬(wàn)美元不等。法國(guó)有一家芯片創(chuàng)業(yè)公司接受媒體采訪時(shí)曾說(shuō)，他們?nèi)绻褂肁RM架構(gòu)，要花掉1500萬(wàn)美元的授權(quán)費(fèi)。（這個(gè)回答后來(lái)遭到ARM的否認(rèn)，不管怎么說(shuō)，反正不便宜。）
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(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)和制造服務(wù)于各個(gè)垂直行業(yè)的終端和模組。
這也就意味著，越來(lái)越多的企業(yè)要被迫接受ARM或其它芯片巨頭的“盤(pán)剝”。
大企業(yè)還好說(shuō)，交就交唄，但對(duì)于很多中小型企業(yè)甚至初創(chuàng)企業(yè)來(lái)說(shuō)，這幾乎就是徹底關(guān)閉了前進(jìn)的大門(mén)。
這時(shí)候，就有人勇敢地站出來(lái)了。
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(dòng)一個(gè)新項(xiàng)目。在為新項(xiàng)目選擇指令集的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)，x86指令集被Intel控制得死死的，ARM指令集的授權(quán)費(fèi)又非常貴，MIPS、SPARC、PowerPC也存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。
在這種情況下，研究團(tuán)隊(duì)毅然決定，從零開(kāi)始，設(shè)計(jì)一套全新的指令集。
在外人看來(lái)，這是一件令人望而卻步的工作。但事實(shí)上，伯克利的研究團(tuán)隊(duì)只召集了一個(gè)4人小組，用了3個(gè)月的時(shí)間，就完成了RISC-V的指令集開(kāi)發(fā)。
雖然看似非常輕松，但其實(shí)是有前提的。RISC-V之所以是個(gè)V（Five），就是因?yàn)樗耙呀?jīng)有過(guò)I、II、III、IV。
負(fù)責(zé)帶隊(duì)研制這些RISC指令集的，不是別人，正是伯克利分校的David Patterson教授。往前翻翻這篇文章你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，他就是RISC指令集的真正創(chuàng)始人。當(dāng)年那篇正式提出精簡(jiǎn)指令集設(shè)計(jì)思想的開(kāi)創(chuàng)性論文——《精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)概述》，就是他和另一位名叫Ditzel的學(xué)者共同發(fā)表的。
David Patterson教授，后來(lái)獲得了圖靈獎(jiǎng)
正是因?yàn)橛邢嚓P(guān)的技術(shù)沉淀，伯克利分校的團(tuán)隊(duì)才能在短期內(nèi)做出了RISC-V。
第一代RISC-I處理器，早在1981年就已經(jīng)做出來(lái)了。
RISC-V指令集非常精簡(jiǎn)和靈活。它的第一個(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。
高校畢竟是高校，功利心沒(méi)有那么重。再加上研究團(tuán)隊(duì)本身確實(shí)也沒(méi)錢(qián)沒(méi)人去維護(hù)它。所以，在做出RISC-V指令集之后，研究團(tuán)隊(duì)決定，將它徹底開(kāi)放，使用BSD License開(kāi)源協(xié)議。
BSD（Berkeley Software Distribution）開(kāi)源協(xié)議是一個(gè)自由度非常大的協(xié)議，幾乎可以說(shuō)是“為所欲為”。它允許使用者修改和重新發(fā)布開(kāi)源代碼，也允許基于開(kāi)源代碼開(kāi)發(fā)商業(yè)軟件發(fā)布和銷(xiāo)售。
這就意味著，任何人都可以基于RISC-V指令集進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，然后拿去賣(mài)錢(qián)，而不需要支付授權(quán)費(fèi)用。
這就很嗨了，大批公司開(kāi)始加入對(duì)RISC-V的研究和二次開(kāi)發(fā)之中。
短短幾年的時(shí)間里，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(guó)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)，都紛紛加入RISC-V基金會(huì)。
目前，RISC-V基金會(huì)共有包括18家白金會(huì)員在內(nèi)的235家會(huì)員單位（數(shù)據(jù)截止2019年7月10日）。這些會(huì)員單位中包含了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)制造公司、系統(tǒng)集成商、設(shè)備制造商、軍工企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、高校等各式各樣的組織，足以說(shuō)明RISC-V的影響力在不斷擴(kuò)大。
正如前文所說(shuō)，RISC-V對(duì)于我們國(guó)家的芯片事業(yè)有著非常重要的意義。
長(zhǎng)期以來(lái)，我們國(guó)家的芯片研發(fā)都受制于人。如果國(guó)內(nèi)企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)能夠利用開(kāi)源的RISC-V做出基本自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片，或者培養(yǎng)出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境，將大大有利于中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)行彎道超車(chē)。
因此，包括中科院計(jì)算所、華為公司、阿里巴巴集團(tuán)等在內(nèi)的20多個(gè)國(guó)內(nèi)企事業(yè)單位，選擇加入了RISC-V基金會(huì)。阿里還是其中的白金會(huì)員。
2018年7月，上海經(jīng)信委出臺(tái)了國(guó)內(nèi)首個(gè)支持RISC-V的政策。10月，中國(guó)RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立。產(chǎn)品方面，中天微和華米科技先后發(fā)布了基于RISC-V指令集的處理器。
基于RISC-V開(kāi)發(fā)的黃山1號(hào)（華米），全球可穿戴領(lǐng)域第一顆人工智能芯片
我們的鄰居印度，對(duì)RISC-V的熱情更是高漲。在過(guò)去數(shù)年中，印度政府資助的處理器相關(guān)項(xiàng)目都開(kāi)始向RISC-V靠攏。RISC-V已經(jīng)成為了印度的國(guó)家指令集。
RISC-V的快速發(fā)展，給ARM這樣的企業(yè)帶來(lái)了很大的壓力。
ARM公司去年6月份就專門(mén)建了一個(gè)域名為riscv-basics.com的網(wǎng)站，里面的內(nèi)容主題為“設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片之前需要考慮的五件事”，從成本、生態(tài)系統(tǒng)、碎片化風(fēng)險(xiǎn)、安全性和設(shè)計(jì)保證上對(duì)RISC-V進(jìn)行攻擊。
RISC-V這邊針?shù)h相對(duì)，建了一個(gè)域名為arm-basics.com的網(wǎng)站，以“設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片之前需要考慮的六件事”為題（在ARM列出的五項(xiàng)上，新增了社區(qū)支持），對(duì) ARM 進(jìn)行反擊。
幾天后，ARM的riscv-basics.com的網(wǎng)站悄然下線。
盡管RISC-V在這場(chǎng)短暫的“撕逼”中獲勝，但ARM提出的那五個(gè)方面的質(zhì)疑，也不是完全沒(méi)有道理。尤其是碎片化問(wèn)題，作為開(kāi)源技術(shù)，RISC-V的確很難規(guī)避。
（碎片化：由于RISC-V允許用戶自己任意添加新的指令，但照此趨勢(shì)發(fā)展下去，可能以后很多芯片廠商開(kāi)發(fā)出的RISC-V架構(gòu)處理器盡管都?xì)w屬于同一RISC-V體系，但在實(shí)際應(yīng)用搭配時(shí)卻不能夠適配同樣版本的軟件。）
總而言之，RISC-V可以被看成是一個(gè)充滿生命力的年輕攪局者。寄希望于它能夠在短時(shí)間內(nèi)和傳統(tǒng)巨頭抗衡，是不現(xiàn)實(shí)的。但是它舉起了打破壟斷的大旗，為沉悶的行業(yè)生態(tài)注入了新鮮的活力，值得我們?yōu)橹泻茫仓档梦覀儗W(xué)習(xí)。
星星之火可以燎原，或許這個(gè)攪局者將來(lái)真的能成為領(lǐng)導(dǎo)者，也不一定呢。
