RISC-V能否和x86、Arm一起成為三大主流架構？

不僅限于我國，各國都陸續將RISC-V架構列為國家級發展規劃。作為一種開源開放、模塊化的架構，RISC-V提供了自主創新和打造差異化的空間，在激烈的市場競爭中脫穎而出，被視作芯片架構領域的“破局者”。那么，RISC-V對中國半導體來說有哪些意義？呼嘯而至的AI時代，RISC-V又有哪些潛力？我們有理由相信RISC-V會在高端市場做大做強嗎？

<與非網>對話Imagination計算產品部副總裁Shreyas Derashri，Andes晶心科技董事長暨執行長林志明，賽昉科技資深銷售總監周杰，來探討這些答案。

“至少未來十年中國仍是最大市場”

RISC－V國際基金會去年披露，截至2022年，市場上量產的RISC－V處理器已經達到100億顆，而其中50％來自中國。Imagination計算產品部副總裁Shreyas Derashri認為，預計至少未來十年內，中國仍將是 RISC-V的最大市場，領先于亞太其他地區和美洲。作為一種開放架構，RISC-V不僅僅是滿足日益增長的計算需求的有效替代方案，而且在許多方面還將更勝一籌。

他看到全球正在出現一些公司，為目標用例設計精確定制的RISC-V解決方案，這些CPU無需支持傳統代碼，就能帶來顯著的性能和面積優勢。這更是帶動了一股競爭和創新熱潮——以功能性、高性能和協作性架構為支撐，正在為計算市場帶來更多選擇，減少對傳統CPU的依賴。賽昉科技資深銷售總監周杰告訴<與非網>，賽昉科技作為國內RISC-V處理器IP供應商的一員，之所以對RISC-V抱有如此高的熱情與期待，是因為看到了一個市場變化：半導體產業中的創新變得更加民主化，同時，RISC-V的開放性和可定制性也使我國能夠獨立開發、部署滿足特定安全需求的芯片產品。

周杰認為，越來越多的中國企業和機構采用RISC-V，其生態系統已經初具規模。隨著各行業不斷推出全新解決方案，將繼續推動加速RISC-V商業化進程。參照近兩年RISC-V在中國的發展進程，RISC-V將會持續促進我國半導體產業實現長期增長。

開源的RISC-V，崛起之謎

開源指令集并不是什么新鮮事物，不過，像Sparc、Power、MIPS等開源架構都是在熱鬧了一陣之后就趨于沉寂，為什么只有RISC-V短短幾年就得到了迅速發展？長期來看，如何才能吸取“前車之鑒”？晶心科技董事長暨執行長林志明指出了區別所在，“RISC-V技術上的優點在于精簡及模塊化，允許工程師快速實現新功能并創新。指令集的靈活性使得創新成為可能，例如工程師可自行添加客制指令，這與之前提到的其他開源架構有所不同。”

“RISC-V 在正確的時間出現在正確的地點，它的出現與人工智能時代的到來相吻合。人工智能刺激了所有設備類型對計算性能的需求，從而鼓勵SoC設計師創造傳統計算的替代方法，無論是GPU、NPU 還是 RISC-V CPU。而RISC-V的快速發展是由于人們希望以更低的成本獲得更多的選擇和更好的性能”，Shreyas Derashri認為這是RISC-V得以迅速繁榮的一個原因。此外，生態也是RISC-V得以持續發展的關鍵。周杰認為RISC-V的興起恰逢半導體行業對開源、低成本和可定制解決方案需求不斷增長的時候，得到了一系列領先半導體公司、研究機構和開源社區的支持，“眾人拾柴”是其短期內迅速發展的關鍵。相比之下，Sparc、Power、MIPS等開源架構由單家廠商推廣，缺乏廣泛的行業支持，生態系統較小，也因為可定制性較低，在其他市場上的采用十分有限。Shreyas Derashri談到，正是因為SoC 設計人員看到了開放性處理器的短期和長期市場效益，再加上RISC-V國際組織的有效管理，以及通過 RISE等倡議團結RISC-V周圍軟件生態系統的共同努力，才促成了該架構的成功。林志明也認為，正是在全球熱心人士和專家大量投入及RVI的領導下，有秩序而有效率地組成大量的團隊，才能迅速開發和貢獻更多的開源指令集，這在條件上也是優于其他開源架構的。總結以往開源架構的經驗：一方面，要推動生態系統與ISA一起走向成熟，將確保其發展與應用市場保持一致；另一方面，對于過去曾經熱門的架構開源化，持續推廣并堅持初衷是很重要的，RISC-V社群應該持續觀察情況，制定對策。

AI是RISC-V進階的階梯

AI正在變得無處不在，從智能手表到數據中心計算，每一臺設備都有望實現一定程度的智能化。從這個意義上說，RISC-V 要想成為未來計算的可靠架構，就必須實現人工智能。這同時也是一個巨大的挑戰，因為單一的指令集如何既能滿足云計算對人工智能的高性能需求，又能滿足消費類設備對人工智能的低功耗、小面積需求？Shreyas Derashri談到，得益于RISC-V簡化的架構，與傳統CPU架構相比，它具有更高的性能和更低的功耗，這是支持AI革命的一個良好起點。RISC-V作為一種模塊化、可擴展的架構，能夠實現32位和64位地址空間，設計人員可從一系列擴展中進行選擇，以支持高性能AI，包括從矢量操作到低精度浮點數格式；此外，該架構的設計可使其根據需要隨時添加新的擴展和地址空間，以支持不斷變化的應用需求。林志明強調，AI是RISC-V的強項之一。由于AI應用本身架構尚未歸于一統，各種架構仍在發展中，形成了一種百花齊放的現象。在這種情況下，RISC-V架構允許使用者進行創新，同時引入了Domain-Specific Architecture (DSA) 的概念。

因此，許多AI領域的專家和公司都選擇采用RISC-V架構來發展AI系統。確實，隨著應用領域日趨細化，一些廠商紛紛投身于針對應用領域做優化的DSA，并以此形成核心技術，垂直領域的芯片定制化被認為是未來的趨勢。那么，RISC-V廠商如何通過差異化定制獲得競爭優勢？周杰表示，根據特定應用設計芯片，能極大提升芯片能效比并降低通用芯片中軟件開發成本。不過挑戰也有，一方面在于廠商需要具備強大RISC-V軟硬件研發實力，另一方面在特定領域尚未形成規模化的商業閉環。Shreyas Derashri認為，傳統架構往往因為通用性犧牲了特殊性，而定制芯片可以為特定應用提供更高的性能、更低的功耗和更小的面積，由于RISC-V的特性，任何公司都可以比以往任何時候都更快地開發出這些芯片。

不過需要注意的是，設計人員要注意軟件兼容性。軟件社區是根據RISC-V規范而不是個別實施方案進行調整的，因此，不加考慮的定制可能會導致開發環境面臨挑戰并影響銷售。

RISC-V能否在高端市場做大做強？

“商業上具備開放的標準，技術上擁有靈活的架構，讓廠商可以按照應用去設計最合適的芯片。而高性能應用定義芯片，更能釋放垂直整合的價值，也是RISC-V帶來的最大的機會，可以說高端市場是RISC-V發展的必然” ，周杰認為。在他看來，隨著人工智能技術的廣泛應用和發展，中國算力規模急劇增長，數據中心作為算力底座，匯聚了各方資源，各架構處理器也正在向高性能、低功耗方向升級。數據中心是RISC-V最具前景的應用場景之一，RISC-V將有望在數據中心實現率先落地。從技術趨勢看，數據中心將延續非傳統架構服務器的發展趨勢。為提高處理大規模并行任務的能力，下一代高性能計算芯片已呈現出以“多核”和“眾核”為主的趨勢，并逐步進入“眾核時代”。眾核處理器可以支持更多的并行任務和更大的數據集，而基于RISC-V的眾核處理器設計路線將為高性能算力芯片提供更大的想象空間。根據周杰的說法，在數據中心場景，2024年會有多款RISC-V芯片落地。林志明也認為，RISC-V有機會在更多市場中取得更大份額，包括HPC、超算、汽車和數據中心，RISC-V將能夠在這些應用領域提供更廣泛的支持。“RISC-V 在高性能市場將大有可為，目前已經有一些公司在該領域進行產品開發甚至實現落地”，Shreyas Derashri談到，在圣克拉拉舉行的RISC-V峰會上，阿里巴巴、算能科技以及山東大學，就聯合展示了RISC-V在云計算領域的首次商業應用。

此外，他認為汽車CPU是一個值得進入的市場，因為除了性能要求外，還要求功能安全。國際公認的ISO 26262 標準已經對此做出規定，該標準根據處理的功能或車輛的情況，對故障處理和故障管理提出了要求。目前，功能安全 RISC-V CPU 的開發已列入Imagination Catapult 系列產品路線圖中。

碎片化——真風險還是偽命題？

理性看待RISC-V的AB面，其開放性其實也在一定程度上催生了各種擴展和變體的開發，從而滿足特定應用程序和市場的需求。那么，該如何看待RISC-V的“碎片化”？它是必經過程，還是要盡力避免的重大挑戰？“對于RISC-V的碎片化風險，這既是一種不可避免的現象，又是一個需要管理的重大挑戰”，周杰認為。Shreyas Derashri表示，RISC-V向任何想要為任何市場設計CPU解決方案的公司開放計算創新，這種創新和創造力必須得到培養和鼓勵；但是，只有當各個公司的創新所基于的基礎架構是一致的、可信賴的，這種創新和創造力才會成功。產業界目前已有相關機構來進行規范管理，例如RISC-V 國際基金會，包括4000多家合作方成員，始終強調遵守監管框架的重要性，組織開發和維護指令集架構，運營RISC-V國際認證，以確保任何基于RISC-V的實現符合規范。此外，國內在2023年成立了RISC-V工委會，鼓勵聯盟內的協作和溝通，以解決生態碎片化問題，引導國內RISC-V產業從無序競爭走向協同創新，促進架構的持續發展。“在我看來，‘碎片化’是RISC-V所面臨的一個假議題，或者說，所謂的碎片化程度并未達到所聲稱的嚴重程度。同時需要澄清的是，RISC-V的指令集是無法任意更改的，可隨意修改和擴充的說法并不正確”，林志明強調。他認為，在RISC-V模塊化的基礎上，使用者可以添加特定的指令。然而，必須要注意的是，這些模塊化指令集的掌控權在RISC-V國際基金會的技術委員會中，由多個工作組負責。這些指令集，如浮點運算、矢量和所有的RISC-V指令集等等，是不可修改的，使用者在使用時必須完全遵守RVI所定義的指令集，才能被視為兼容。

那么，用戶如何添加指令呢？RISC-V制定了一個接口規格，允許用戶在嚴格的規范下添加指令。這種方式確保了用戶自行開發的指令不會被他人使用，同時在整體RVI所制定的模塊化指令集上保持兼容性。

與x86、Arm三分天下，生態是制勝關鍵

除了尋求高端市場發展、規避過度碎片化的潛在風險，RISC-V與x86、Arm三分天下的關鍵最終還是有賴于生態的搭建。從歷史經驗來看，下游用戶對于具體使用哪種內核可能不會特別在意，他們看重的往往是生態系統的豐富程度、易用性、安全性、設計門檻的高低，這其實也是RISC-V需要持續成長的方向。當前，在快速的崛起過程中，RISC-V軟件生態也呈現出勃勃生機，正在從可用向好用、易用進步，軟件生態不斷豐富，安全性不斷提升，應用門檻不斷降低。“發展RISC-V軟件，前提是要有能穩定量產交付的芯片硬件產品，不斷適配應用場景的軟件需求；其次，芯片廠商要發揮垂直整合的優勢，參與到芯片生態系統的構建中，例如操作系統、開發環境、中間件、應用軟件等，都需要芯片原廠發揮力量”，周杰表示，他以賽昉高性能RISC-V多媒體處理器昉·驚鴻-7110（JH-7110）的落地為例介紹說，通過軟件的優化進一步提升了性能和穩定性，促進了在客戶項目中的落地。此外，在應用實現過程中，通過強大的系統和工具適時解決用戶問題、優化用戶體驗，也是得以持續推進的關鍵。以Andes晶心科技為例，已經推出了20多套RISC-V處理器IP和上百件對應資源的軟件，包括各種軟件庫、驅動程序、以及完整的軟件開發系統和工具環境。能夠為不同的應用提供不同的生態系統支持。

再比如Imagination，Catapult CPU產品線在上市前都經過了全面優化和廣泛測試。隨著 RISC-V ISA 的發展，還設計了符合 RISC-V ISA 的解決方案。其CPU 在交付時都配備了功能齊全的SDK，其中包括基于LLVM的編譯器和C運行時庫。

寫在最后

在半導體全行業對開源、差異化、可定制解決方案需求不斷增長的時候，在AI迫切需要算力芯片加速創新的時候，RISC-V迅速崛起。正如春雨初生、春林初盛，正如風好時揚帆競逐，RISC-V呈現出蓬勃的態勢。隨著技術的發展和生態系統的不斷完善，RISC-V有望在中國乃至全球芯片產業中發揮更加重要的作用，推動全球半導體創新發展。