第三次芯片浪潮出现了！开源指令集是最大赢家

近日，2022年图灵奖颁给了“以太网之父”、3Com公司创始人罗伯特·梅特卡夫。他研发的以太网设备及其协议，允许设备连接到局域网并共享打印机和文件等资源，极大降低了网络连接成本。

在中国开放指令生态（RISC-V）联盟秘书长、中科院计算技术研究所研究员包云岗看来，以太网成功的最大启示是做开放标准，它为下一步创新提供平台、拓展市场、繁荣生态，其背后的开源文化实则是一种生产方式的革新。

在日前举行的开源硬件与新一代工业革命论坛上，专家表示，开源作为一种创新协作模式不仅引发了软件产业变革，未来还将引发硬件、数据、算法、内容等产业变革，将重构产业链、供应链、价值链，基于开源的新工业革命正在到来。

发展迅猛的RISC-V

1978 年，英特尔率先推出复杂指令集架构X86。不仅产品性能极强，在经过一系列商业化运作后，比如Wintel联盟的成立，X86几乎垄断了PC芯片市场，开创了属于X86架构的时代。1985年，Arm的前身Acorn公司成功研发了第一款面向低功耗、低成本场景的处理器芯片ARM1，到1990年Arm开始采用芯片IP授权的方式经营业务，适逢此后抓住移动电话的机遇，尤其在获得苹果iPhone、谷歌安卓的采用后，后来全球95%的手机芯片都基于ARM框架开发。

对比之下，X86指令集架构有40多年历史，ARM架构有30多年历史，而时下正在兴起的RISC-V架构其实只有大约10年历史。虽然RISC-V很年轻，但已经有太多迹象表明，它的发展正在按下快进键。RISC-V是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源、免费指令集架构，它的一大特点在于开源：与大多数指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。

另一方面，不同于主流的x86与ARM架构指令数目多、冗余严重，文档数量庞大，导致在此两种架构上开发新操作系统或应用门槛较高，RISC-V基础指令集只有40余条，加上其他的模块化扩展指令总共不到100条，开发门槛非常低，同时，RISC-V具有功耗更低、操作系统易移植、模块化设计等优点。

得益于这些优点，RISC-V芯片发展得非常迅猛，目前累计出货量已经突破100 亿颗。作为比较，出货 100 亿颗处理器所花的时间，英特尔的X86 架构花了几十年，ARM 花了 17 年，而 RISC-V 只用了大约 10 年的时间。有数据预测，到 2025 年，采用 RISC-V 架构的处理器将突破 800 亿颗。


抓住第三次芯片浪潮机遇

目前，RISC-V芯片开始出现在耳机、硬盘和AI处理器中，已经售出了100亿个内核。在上月在沪举行的首届玄铁RISC-V生态大会上，“RISC-V之父”、图灵奖得主大卫·帕特森表示，在物联网领域，预计到2025年有28%的市场会被RISC-V所占有；在RISC-V最有机会发力的人工智能和机器学习领域，其复合增长率将超过70%；预计2027年左右，将会有250亿设备融入RISC-V生态中。

“这一轮开源芯片浪潮，我们没有掉队。”包云岗说。据统计，2022年全球采用RISC-V架构的100亿颗处理器中，一半来自中国，这标志着国内的RISC-V生态已初步形成。中国工程院院士倪光南也指出，RISC-V的出现为推动中国芯片产业发展提供了新的机遇。

从全球范围看，RISC-V国际基金会也在不断壮大，过去几年的会员增长率均超过100%，吸引了全球70多个国家的3100多名会员加入。从基金会中的实力占比看，中美处于第一梯队。在全球24个高级会员中有13个来自中国，22个理事会成员中有9个来自中国。

“过去我国发展处理器芯片有两种模式，即高铁模式和北斗模式。前者是在现有生态下引进、消化、吸收、再创新，后者是完全自主构建技术体系。有了RISC-V后，我们可以走第三种模式——5G模式。”包云岗认为，国内企业应加速参与到开放标准的制定中，同时自主研发一批关键核心技术，面向国际市场，兼容国际生态，抓住第三次芯片浪潮的时代机遇。

RISC-V架构被广泛采用

近期对于arm公司来说过得也不是很顺利，两月前刚刚传出重大消息，arm全球裁员18%，其中英国总部所在地更是裁员20%，arm还没能缓过气来，美国芯片企业高通的高管Manju Varma突然表示他们早已研发RISC-V架构，并已出货6.5亿颗RISC-V芯片。显然一场RISC-V和arm的未来市场争夺之战已经悄然展开。

RISC-V架构作为一种新兴的架构技术，正在悄悄地被越来越多的国内外厂商采用。对于这样一种诞生于2010年的开源指令集，到底有何优势，能让各大半导体巨头企业纷纷布局呢？

首先，RISC-V是完全开源的指令集，对于指令集使用，RISC-V基金会不收取高额的授权费。开源采用宽松的BSD协议，企业完全自由免费使用，同时也容许企业添加自有指令集拓展而不必开放共享以实现差异化发展；

其次，RISC-V架构秉承了简单的设计哲学，其基础指令集则只有40多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。RISC-V的规范文档仅有145页，而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。并且有着优秀的兼容性，开发者能非常方便的移植Linux和Unix系统到RISC-V平台。

而反观arm这边，不论是高通还是苹果，都同样嫌弃arm的高昂授权费。苹果这边还好说，有着强大的独立定制能力，使用arm架构的A系列和M系列处理器有口皆碑。但是高通这边就是苦arm久已了，arm的公版核心功耗实在太高了，近两代arm的超大核心X1、X2核心都出现功耗过高的问题，加上三星代工技术的不成熟，直接导致高通的骁龙888、骁龙8 Gen 1发热严重，让高通在消费者心中的口碑是一降再降，为此高通就开始试图摆脱arm。

为此，高通早就收购了一家初创芯片企业Nuvia，Nuvia并未采用arm的公版核心而是获取arm的授权自研核心架构，如此可以降低授权费，还可以研发性能强大的芯片。显然，arm不可能就此坐以待毙，不仅直接起诉了高通，甚至在10月还放出消息，将禁止公版 CPU 使用外部 GPU、NPU 或 ISP，也就是说，在未来只要使用了arm指令集的设计，就必须搭配ARM自己的产品（ARM GPU/NPU/ISP），这就意味着，未来手机端的SoC设计个性化定制程度将极大受到限制，单个计算单元的优化会极大地依赖arm的设计，这在很大程度上已经向着x86架构生态发展，但是很明显，第一，市场肯定会极力阻止出现第二个Wintel联盟；第二，arm目前也没有英特尔和微软的统治能力。亦敌亦友的高通和arm已经对簿公堂，一旦arm赢得诉讼，那对高通将是不利的，其芯片战略布局会因此被打乱，而转投RISC-V能形成反制。可以预见的是，RISC-V IP厂商可能迅速崛起，这将迅速加快RISC-V的路线图。

如今高通进一步表态早已研发RISC-V架构并已应用于自家的骁龙系列芯片，显示出arm限制高通采用Nuvia核心之后，直接舍弃arm指令集，另起炉灶研发RISC-V架构，这对arm无疑是釜底抽薪。高通对于arm来说是至关主要的企业，不仅是经济上，还是对于整个市场来说，高通一定是一家有着重要象征意义的企业，高通代表着arm架构的最高水平之一，在某种程度高通、苹果和arm在市场的心中是绑定的，毫不夸张的说，一旦高通转向RISC-V对于arm来说无疑是巨大的打击，意味着arm的地盘有崩溃的可能性。

转向RISC-V架构的这个口子已经被高通打开，在往后的日子里，高通一定会持续开发RISC-V芯片处理器，恐怕不需要以后，现在的高通就已经开始规划将RISC-V架构技术用于可穿戴设备、智能汽车、移动设备等终端芯片产品中了，而随着高通正式研发RISC-V架构芯片，笔者相信苹果一定不会选择把鸡蛋全放在arm这一个篮子里，也极有可能转投一部分资源到RISC-V阵营。

RISC-V，还是国产替代的一条出路

事实上，在目前出货的100亿颗RISC-V架构的处理器里，有一半来自中国。RISC－V国际基金会的19个高级会员中，和中国相关的会员有12个。中国有很多的芯片厂商都在布局RISC-V，包括芯来科技、紫光展锐、兆易创新、乐鑫、中科蓝讯、全志科技、汇顶科技等等。据统计数据，包括IP内核与芯片设计等主要内容在内，中国目前有300家以上公司在关注RISC-V或以RISC-V指令集进行开发。

中国芯片公司如此关注RISC-V，一方面是因为其简洁好用，另一方面，在外国对传统架构的芯片有垄断优势，且对我国的芯片封锁日益严格的背景下，RISC-V开源的特性可以防止我国所需芯片又出现被管制的现象。之前很火的Chiplet是绕过晶圆制造技术，通过封装环节来达到更强性能，而CPU中绕开现有体系另起炉灶的一条路径就是RISC-V体系。

计算机专家，中国工程院院士，中国科学院计算技术研究所研究员倪光南表示：“未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一，从而在CPU领域形成X86、ARM、RISC-V三分天下的格局。对RISC-V，中国只要加大投入，依靠中国科技人员的创新，有可能在CPU核心技术上获得很大的话语权。”

因此，RISC-V目前可能是国产替代的一条好出路甚至唯一出路。