微處理器的開(kāi)放指令集有望重塑計(jì)算，并引入新的、更強(qiáng)大的功能。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)依靠許多元件來(lái)提供高速和高性能，但是很少有比一臺(tái)精簡(jiǎn)的指令集計(jì)算機(jī)（通常稱為RISC）發(fā)揮更大作用的了。盡管指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）具有不同的形狀和形式-并且它支持多種系統(tǒng)和設(shè)備-但存在一個(gè)共同點(diǎn)，與復(fù)合指令集計(jì)算機(jī)（CISC）相比，RISC允許微處理器以更少的每指令周期（CPI）運(yùn)行。

當(dāng)然，ISA是計(jì)算的核心。加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、ACM A.M.圖靈獎(jiǎng)獲得者戴夫·帕特森（Dave Patterson）說(shuō)：“這是允許硬件和軟件進(jìn)行通信的基本詞匯，他差不多算是創(chuàng)造了這個(gè)術(shù)語(yǔ)，并開(kāi)發(fā)了早期的RISC計(jì)算模型。在過(guò)去的幾十年里，英特爾和ARM這兩大實(shí)體基本上控制了ISA。他們的專利微處理器可以從筆記本電腦到云服務(wù)器，從智能手機(jī)到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的所有設(shè)備運(yùn)行。如今，很難找到?jīng)]有英特爾或ARM處理器的計(jì)算設(shè)備。

所有這些都將改變。由Patterson和伯克利大學(xué)教授Krste Asanovi‘c以及他們的學(xué)生構(gòu)想的一種免費(fèi)的開(kāi)放式指令集RISC-V正在顛覆微處理器行業(yè)。免稅版的ISA于2011年首次亮相，它支持新型，更專業(yè)的微處理器設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)很快將出現(xiàn)在傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備以及可穿戴設(shè)備，家用電器，機(jī)器人，自動(dòng)駕駛汽車和工廠設(shè)備中。上訴？“ RISC-V以比專有RISC低得多的成本提供了非常高的靈活性。它允許用戶生產(chǎn)適合特定應(yīng)用的定制芯片。”Asanovíc解釋說(shuō)。

以下說(shuō)明

RISC-V的推出與半導(dǎo)體行業(yè)的其他重大變化不謀而合。CMOS晶體管的縮放速度正在放緩，這已不是秘密。即使最近在設(shè)計(jì)上取得了突破，將密度和性能提升到了新的水平，戈登·摩爾（Gordon Moore）關(guān)于每?jī)赡陮⒕w管倍增的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)——“摩爾定律”（Moore’s Law）也不再成立。隨著半導(dǎo)體進(jìn)展緩慢，而性能需求持續(xù)增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)更先進(jìn)的計(jì)算設(shè)備和燃料創(chuàng)新的能力受到威脅。Patterson解釋說(shuō)：“向前看，邏輯路徑是為應(yīng)用領(lǐng)域的微處理器上的基本指令集添加擴(kuò)展。”。 RISC-V的吸引力是不可否認(rèn)的。一個(gè)通用的ISA意味著ISA的不同實(shí)現(xiàn)和用例可以利用相同的核心軟件堆棧，從而最小化移植到編譯器、操作系統(tǒng)和其他軟件的工作。RISC- v的主要優(yōu)點(diǎn)不是它是RISC的一個(gè)新的變種或迭代，而是它是一個(gè)開(kāi)放的ISA。因此，人們期望該模型將產(chǎn)生將RISC-V置于商業(yè)地圖上所需的軟件堆棧。然而，與此同時(shí)，也有一種擔(dān)憂，即給用戶改變ISA的能力將導(dǎo)致RISC-V軟件生態(tài)系統(tǒng)的分裂。 Asanovi?c和Patterson于2010年開(kāi)始在伯克利的并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)室（Par Lab）研究第五代RISC指令集。該項(xiàng)目的誕生源于對(duì)專有ISA缺乏靈活性的失望。Patterson回憶說(shuō)：“我們無(wú)法做一些我們想做的重新搜索。兩人瞄準(zhǔn)了一個(gè)長(zhǎng)期存在的行業(yè)問(wèn)題：無(wú)法為特定目的定制芯片。這項(xiàng)倡議是基于他們自己的需要。“由于我們無(wú)法獲得英特爾或ARM使用或修改其專有指令集的許可，我們決定為自己的研究開(kāi)發(fā)自己的指令集，并幫助其他學(xué)者的研究。”

這個(gè)項(xiàng)目吸引了整個(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)的眼球，在微軟和英特爾1000萬(wàn)美元的實(shí)驗(yàn)室資金和DARPA的額外資金支持下，該項(xiàng)目迅速發(fā)展起來(lái)。很明顯，許多人想要一些類似于Linux微處理器操作系統(tǒng)的東西。人們希望有一個(gè)開(kāi)放的指令集，允許世界上任何人使用開(kāi)放和通用的詞匯表來(lái)構(gòu)建芯片，”P(pán)atterson說(shuō)。2014年，RISC-V正式公開(kāi)發(fā)布，到那時(shí)，這個(gè)想法已經(jīng)獲得了足夠的動(dòng)力，催生了非盈利的RISC-V基金會(huì)（riscv.org），作為研究、標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)合作的交流中心。現(xiàn)在它擁有超過(guò)425個(gè)成員。

在過(guò)去的幾年里，RISC-V已經(jīng)逐漸進(jìn)入主流計(jì)算領(lǐng)域。例如，三星宣布將在其2020年5G智能手機(jī)中使用RISC-V內(nèi)核。這家電子巨頭還將開(kāi)發(fā)RISC-V內(nèi)核，用于人工智能圖像傳感器、安全管理、人工智能計(jì)算和機(jī)器控制系統(tǒng)。 其他人也在效仿。Western Digital、NVIDIA和Qualcomm也宣布他們將在固態(tài)硬盤(pán)（SSD）和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）以及用于智能手機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)的圖形處理單元（GPU）等應(yīng)用中使用RISC-V。

減少RISC

RISC-V的吸引力是顯而易見(jiàn)的。RISC-V基金會(huì)的首席執(zhí)行官Calista Redmond說(shuō)：“通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，允許用戶根據(jù)特定的計(jì)算需求添加特定的擴(kuò)展，它開(kāi)啟了完全不同的可能性。”這種設(shè)計(jì)繞過(guò)了一種一刀切的方法，這種方法具有預(yù)先包裝好的特性和功能，您可能需要，也可能不需要，以及隨之而來(lái)的性能和能源消耗。同樣重要的是，RISC- V從占主導(dǎo)地位的行業(yè)巨頭英特爾和AMR手中奪取了微處理器的控制權(quán)。她補(bǔ)充道：“相反，你有各種各樣的供應(yīng)商，以及隨之而來(lái)的創(chuàng)新。” 其結(jié)果將是為特定任務(wù)設(shè)計(jì)、制造和優(yōu)化芯片。Asanovi?c解釋說(shuō)：“設(shè)計(jì)中沒(méi)有限制應(yīng)用程序域的內(nèi)容。例如，RISC-V芯片可以用于專注于特定的人工智能任務(wù)，如圖像識(shí)別或機(jī)器語(yǔ)言翻譯，也可以用于建立跨越幾代設(shè)備和產(chǎn)品的微控制器框架。這將允許企業(yè)繞過(guò)未來(lái)的研發(fā)，以及正在進(jìn)行的許可和版稅要求。“公司可以建立自己的核以滿足自己的需求。他們可以更深入地了解核心的運(yùn)行方式，甚至開(kāi)發(fā)自己的安全功能，”他說(shuō)。 實(shí)際上，許多人預(yù)測(cè)RISC-V將成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。盡管RISC-V不會(huì)取代專有的RISC，但其自定義擴(kuò)展名將支持全新的應(yīng)用程序，功能甚至設(shè)備。Asanovi‘c說(shuō)，“不再需要讓企業(yè)適應(yīng)芯片的功能。他們將創(chuàng)建滿足其特定需求的芯片。” 西北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)副教授Abhi Shelat補(bǔ)充說(shuō)：“就低端處理器的使用和成本而言，由于開(kāi)源經(jīng)濟(jì)學(xué)的原因，該芯片可能占主導(dǎo)地位。隨著工具鏈成為標(biāo)準(zhǔn)，它將比使用專有替代品執(zhí)行許多任務(wù)便宜。

處理變更

不出意料，RISC-V也有懷疑者和反對(duì)者。批評(píng)者認(rèn)為，該標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)在不同類型的RISC-V設(shè)備和生態(tài)系統(tǒng)之間引入互操作性挑戰(zhàn)。隨著ISA的不同版本的形成，可能會(huì)出現(xiàn)行業(yè)分裂和潛在的互操作性問(wèn)題。此外，與某些類型的設(shè)備（如智能手機(jī)）的二進(jìn)制兼容性可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。目前，許多應(yīng)用程序都是按照ARM指令集編寫(xiě)的。同樣，該平臺(tái)可以在某些高端云環(huán)境中應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，在高端云環(huán)境中，需要大量資源來(lái)構(gòu)建與專有ISA設(shè)計(jì)相抗衡的系統(tǒng)。 還有一些關(guān)于指令集將如何發(fā)展的問(wèn)題，目前還缺乏管理技術(shù)的強(qiáng)大工具。RISC-V基金會(huì)正在通過(guò)協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議促進(jìn)進(jìn)步。然而，成功很大程度上取決于持續(xù)的合作。因此，一些行業(yè)參與者，特別是那些在開(kāi)放的ISA范圍內(nèi)損失最大的行業(yè)參與者，已經(jīng)瞄準(zhǔn)了這項(xiàng)技術(shù)。例如，ARM在2018年6月建立了一個(gè)反RISC-V網(wǎng)站。它在上線幾天后被撤下，當(dāng)時(shí)ARM的員工反對(duì)這一策略。然后ARM在2019年11月宣布，將開(kāi)放Cortex M cores的專有指令集，以便客戶可以調(diào)整和定制指令。 然而，RISC-V正在迅速成形。Semico研究公司在2019年11月的一份報(bào)告中預(yù)測(cè)，到2025年，RISC-V CPU內(nèi)核市場(chǎng)將達(dá)到624億，約占整個(gè)CPU內(nèi)核業(yè)務(wù)的6%。Semico總裁Jim Feldhan說(shuō)：“公司正在轉(zhuǎn)向RISC-V解決方案，以滿足廣泛的性能和產(chǎn)量需求。”通訊、運(yùn)輸和工業(yè)設(shè)施是RISC-V的特別熱門(mén)領(lǐng)域。Redmond說(shuō)：“開(kāi)發(fā)更創(chuàng)新、更高效的芯片的想法非常吸引人。” 安全也可能成為RISC-V的主要賣點(diǎn)。目前，還沒(méi)有辦法確切地知道間諜軟件或惡意代碼是否已經(jīng)嵌入到芯片的BIOS級(jí)。“今天，微處理器安全是一個(gè)黑盒子，”P(pán)atterson說(shuō)。開(kāi)源方法提供了一些潛在的優(yōu)勢(shì)。首先，那些使用RISC-V芯片的人會(huì)確切地知道微處理器上發(fā)生了什么。其次，用戶可以開(kāi)發(fā)指令集擴(kuò)展，并產(chǎn)生專注于特定安全需求的設(shè)計(jì)。公司和政府機(jī)構(gòu)可以開(kāi)發(fā)出沒(méi)有植入間諜軟件或惡意軟件的芯片。

推動(dòng)未來(lái)

Redmond認(rèn)為，RISC-V的商業(yè)引入填補(bǔ)了計(jì)算機(jī)行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)的空白。它不僅打破了ARM和Intel現(xiàn)有的ISA雙寡頭壟斷，允許用戶掌控自己的命運(yùn)，還建立了一個(gè)開(kāi)放的框架來(lái)推動(dòng)全球合作和創(chuàng)新。她說(shuō)：“這一模式在上個(gè)世紀(jì)已經(jīng)以許多不同的形式證明了它的成功，從電話、汽車到網(wǎng)絡(luò)和軟件。”“RISC-V代表了該概念的下一個(gè)邏輯階段，它特別適合物聯(lián)網(wǎng)和日益互聯(lián)的世界。” RISC-V的未來(lái)無(wú)疑是光明的。除了在企業(yè)界引起關(guān)注外，還有超過(guò)十二所大學(xué)也加入了RISC-V。不僅研究人員希望開(kāi)發(fā)利基和精品RISC-V芯片來(lái)協(xié)助他們的學(xué)習(xí)，包括加州大學(xué)伯克利分校在內(nèi)的學(xué)校 ，康奈爾大學(xué)麻省理工學(xué)院，劍橋大學(xué)和中國(guó)深圳（北京？）的清華大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)與RISC-V的設(shè)計(jì)，工程和使用有關(guān)的教學(xué)材料和說(shuō)明。Redmond解釋說(shuō)：“這為將來(lái)更廣泛地采用和更廣泛地使用該框架埋下了種子。” 所有這些都可能助長(zhǎng)半導(dǎo)體行業(yè)多年未見(jiàn)的顛覆性發(fā)展。Patterson將RISC-V的推出描述為“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新黃金時(shí)代”。西雅圖華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院副教授邁克爾·泰勒（Michael Taylor）說(shuō)：“ RISC-V沒(méi)有嚴(yán)重的技術(shù)或?qū)嵺`問(wèn)題。它將最終取代x86和ARM作為微處理器的主要指令集。它將從根本上改變計(jì)算機(jī)世界。”
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