物聯(lián)網(wǎng)紅利大，攪局者RISC-V正在突圍

過(guò)去幾年間，主要基于中興事件和中美貿(mào)易戰(zhàn)的發(fā)酵，關(guān)于國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與風(fēng)險(xiǎn)的話題頻頻見(jiàn)諸報(bào)端。

造芯企業(yè)不斷增多，分散在芯片產(chǎn)業(yè)鏈3大環(huán)節(jié)，包括上游設(shè)計(jì)、中游制造、下游封裝和測(cè)試。產(chǎn)生的業(yè)務(wù)模式主要有4種，分別是以英特爾、TI、三星為典型的IDM模式，以臺(tái)積電、聯(lián)華電子、中芯國(guó)際、日月光集團(tuán)為代表的Foundry模式，以高通、博通、聯(lián)發(fā)科、展訊、海思為代表的Fabless模式，以Arm為典型的Design Service模式（芯片設(shè)計(jì)服務(wù)提供商）。

那么問(wèn)題來(lái)了，芯片產(chǎn)業(yè)鏈頗為復(fù)雜，當(dāng)我們討論國(guó)內(nèi)芯片的落后時(shí)，主要在說(shuō)什么？面對(duì)國(guó)際大廠成熟的資源運(yùn)作和幾近壟斷的市場(chǎng)地位，新進(jìn)造芯企業(yè)可以選擇哪些技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)突圍？

根據(jù)近幾年的新聞可以發(fā)現(xiàn)，RISC-V開(kāi)源指令集架構(gòu)正在國(guó)內(nèi)越來(lái)越受到關(guān)注。且為避免像此前Arm被美國(guó)禁令限制的類(lèi)似事件再次出現(xiàn)，RISC-V基金會(huì)為避開(kāi)政治風(fēng)險(xiǎn)，已于近期將總部注冊(cè)地從美國(guó)遷移至中立國(guó)瑞士，這一舉動(dòng)尤其緩解了國(guó)內(nèi)RISC-V陣營(yíng)對(duì)地緣政治干擾的擔(dān)憂。

為什么關(guān)注RISC-V？

據(jù)了解，目前芯片國(guó)產(chǎn)化主要有兩大難點(diǎn)：

其一是工藝和制造，因?yàn)樾枰牟牧?、耗材、設(shè)備等都被國(guó)外企業(yè)高度壟斷，國(guó)內(nèi)廠商的追趕之路道阻且長(zhǎng)。再加上尚未在行業(yè)中看到明顯的拐點(diǎn)，這一領(lǐng)域仍需要長(zhǎng)期且有步驟的投入和積累。

其二就是關(guān)于核心IP、指令集架構(gòu)的專(zhuān)利。

中國(guó)RISC-V聯(lián)盟秘書(shū)處主任、中科院計(jì)算所高級(jí)工程師張科曾表示：在各類(lèi)芯片中，處理器芯片是設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中最為復(fù)雜的一類(lèi)，是各國(guó)爭(zhēng)相搶占的制高點(diǎn)，而指令集架構(gòu)是處理器芯片的“靈魂”，如果處理器芯片能夠基于開(kāi)放、免費(fèi)的指令集架構(gòu)設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)源代碼等文件開(kāi)源，勢(shì)必推動(dòng)芯片及信息產(chǎn)業(yè)的新一輪變革。

什么是指令集呢？

指令集（ISA）是能夠轉(zhuǎn)化程序任務(wù)成CPU可理解的底層代碼的一項(xiàng)硬程序，說(shuō)白了就是計(jì)算機(jī)芯片的底層語(yǔ)言或規(guī)范。程序按照某種指令集的規(guī)范翻譯為CPU可識(shí)別的底層代碼的過(guò)程，就叫做編譯。所以指令集的作用主要體現(xiàn)在引導(dǎo)CPU進(jìn)行運(yùn)算，確保CPU高效運(yùn)行。

1978 年，英特爾率先推出指令集架構(gòu)——X86 。雖然功耗高，但是性能極強(qiáng)，經(jīng)過(guò)一系列商業(yè)化運(yùn)作以后，比如Wintel聯(lián)盟，X86幾乎壟斷了PC芯片市場(chǎng)。

1985年，Arm的前身Acorn公司在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授提出的對(duì)精簡(jiǎn)指令集研究的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)出了第一款面向低功耗、低成本場(chǎng)景的處理器芯片ARM1。到1990年Arm成立以后，Arm開(kāi)始采用芯片IP授權(quán)的方式經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)，適逢此后抓住移動(dòng)電話的機(jī)遇，尤其在獲得蘋(píng)果iPhone、谷歌安卓的采用后，ARM指令集最終制霸智能手機(jī)市場(chǎng)。

先發(fā)優(yōu)勢(shì)、生態(tài)積累讓英特爾和Arm以壟斷之姿昂首屹立于PC和智能手機(jī)市場(chǎng)，盡管過(guò)程中不斷有挑戰(zhàn)者，但在已經(jīng)成熟的市場(chǎng)里爭(zhēng)奪，后進(jìn)者最終還是陷入了“沒(méi)有生態(tài)，用戶就是不愿意用”的尷尬境地。

但如今情況有所不同，當(dāng)下最有發(fā)展前景的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能產(chǎn)業(yè)還未產(chǎn)生具有明顯壟斷地位的指令集架構(gòu)，給其他企業(yè)突圍創(chuàng)造了珍貴的窗口期，吸引了不少新玩家的加入。

實(shí)際上，芯片IP設(shè)計(jì)市場(chǎng)長(zhǎng)期被認(rèn)為易壟斷，業(yè)界有說(shuō)法稱(chēng)目前還活著的商用指令集主要也就四種，分別是X86、ARM、MIPS、RISC-V。至于為何是RISC-V有了新的機(jī)會(huì)，而英特爾或Arm沒(méi)有直接延續(xù)壟斷，MIPS也沒(méi)有趁勢(shì)而起，除了國(guó)家層面的戰(zhàn)略選擇以外（軟件業(yè)發(fā)達(dá)的印度甚至將RISC-V定為國(guó)家指令集），主要還是RISC-V有“出圈”的實(shí)力，包括其大道至簡(jiǎn)的原則，模塊化、極簡(jiǎn)、可擴(kuò)展等特點(diǎn)。

RISC-V的前世今生

在江湖中，按照復(fù)雜程度可以將指令集分為兩種：復(fù)雜指令集CISC和精簡(jiǎn)指令集RISC。

1981年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的David Patterson教授提出了精簡(jiǎn)指令集RISC的觀點(diǎn)，這與X86那類(lèi)復(fù)雜指令集CISC是相對(duì)的，RISC主張精簡(jiǎn)指令種類(lèi)和格式，倡導(dǎo)硬件應(yīng)重點(diǎn)加速常用的指令，達(dá)到降低功耗、提高效率的目的。如前所述，Acorn公司正是基于精簡(jiǎn)指令集的設(shè)計(jì)理念獲得了成功。

2010年，同樣是在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校，Krste Asanovic教授正在為選擇何種指令集來(lái)開(kāi)展他的一系列教育項(xiàng)目而煩惱。在比較過(guò)后，因?yàn)閄86是封閉的，Arm架構(gòu)授權(quán)費(fèi)太貴，社區(qū)化運(yùn)營(yíng)的OpenRISC要求所有的指令集改動(dòng)后必須開(kāi)源，限制條件頗多……

最后，Krste教授決定結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)需求，在RISC架構(gòu)的基礎(chǔ)上，拋掉不必要的歷史包袱，自己做個(gè)開(kāi)源的CPU指令集架構(gòu)來(lái)使用。

2014年，Krste團(tuán)隊(duì)成功推出了一套基于BSD協(xié)議許可的免費(fèi)開(kāi)放的指令集架構(gòu)RISC-V。

在此不妨解釋下BSD，作為一款開(kāi)源協(xié)議，BSD鼓勵(lì)代碼共享，但要求尊重代碼作者的著作權(quán)。很多企業(yè)在選用開(kāi)源產(chǎn)品的時(shí)候都首選BSD協(xié)議，因?yàn)榭梢酝耆刂七@些第三方的代碼，在必要的時(shí)候可以修改或二次開(kāi)發(fā)，這一好處同樣激勵(lì)了企業(yè)對(duì)RISC-V的采納。

2015年，融合了產(chǎn)學(xué)研各界的RISC-V基金會(huì)正式成立。

RISC-V基金會(huì)是一家非盈利性組織，主要負(fù)責(zé)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的 RISC-V 指令集手冊(cè)與架構(gòu)文檔，促進(jìn)會(huì)員間的交流，發(fā)展壯大RISC-V生態(tài)系統(tǒng)。針對(duì)目前業(yè)界常質(zhì)疑的RISC-V因開(kāi)源產(chǎn)生的碎片化問(wèn)題，也是基金會(huì)主要面對(duì)并解決的，比如RISC-V處理器的定義來(lái)自基金會(huì)，在發(fā)布前需要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，企業(yè)才可合法地將其稱(chēng)為RISC-V處理器；比如基金會(huì)認(rèn)為過(guò)多的自我定制意味著一開(kāi)始就放棄了RISC-V指令集的原有優(yōu)勢(shì)，企業(yè)沒(méi)有理由這么做。

日前，基金會(huì)治理架構(gòu)做出調(diào)整，指明只要繳納每年25萬(wàn)美元的會(huì)員費(fèi)，就能自動(dòng)獲得董事會(huì)成員席位和技術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)席位，從而幫助全世界企業(yè)擁有相同的機(jī)會(huì)爭(zhēng)取話語(yǔ)權(quán)。

迄今為止，該基金會(huì)已吸引了全球28個(gè)國(guó)家327多家會(huì)員加入，包括谷歌、英偉達(dá)、高通、三星、西部數(shù)據(jù)、NXP、賽昉（SiFive）、晶心科技（Andes）、阿里巴巴、華米科技、獵戶星空都是其中重要的白金會(huì)員，國(guó)內(nèi)加入該基金會(huì)的成員達(dá)到30家。

2018年，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始圍繞RISC-V開(kāi)展各項(xiàng)工作。

本土范圍內(nèi)投入RISC-V研發(fā)的部分企業(yè)

相比于市場(chǎng)上任何一種指令集，RISC-V著實(shí)屬于萌芽期，有企業(yè)在積極投入，還有眾多企業(yè)在密切關(guān)注。有數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)有300家以上公司在關(guān)注RISC-V或以RISC-V指令集進(jìn)行開(kāi)發(fā)。聯(lián)系到上海市經(jīng)信委2018年發(fā)布的RISC-V支持政策，可想而知中國(guó)對(duì)于RISC-V的興趣正在自上而下凝聚成為共識(shí)。

RISC-V在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)大展拳腳

X86和ARM在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的限制，主要是成本的問(wèn)題，包括產(chǎn)權(quán)費(fèi)用。RISC-V指令集開(kāi)源的特點(diǎn)，使得企業(yè)可以節(jié)省這部分的經(jīng)費(fèi)，同時(shí)RISC-V支持模塊化和可擴(kuò)展，支持用戶使用和修改架構(gòu)后進(jìn)行商用，且不做代碼上的公開(kāi)，保護(hù)了企業(yè)的商業(yè)利益，這與另一例開(kāi)源指令集項(xiàng)目OpenRISC強(qiáng)制企業(yè)共享任何的創(chuàng)新有本質(zhì)不同。此外RISC-V目前已獲得大量的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)和流片案例，在進(jìn)程上相比其他開(kāi)源項(xiàng)目更加領(lǐng)先。

盡管如此，RISC-V目前也沒(méi)有和ARM對(duì)打的能力，原因主要是生態(tài)和軟件成熟度的問(wèn)題，以及缺乏商業(yè)成功的典型產(chǎn)品，類(lèi)似當(dāng)年ARM+蘋(píng)果，ARM+安卓的案例。

在此可以多提幾句，為什么總是要如此強(qiáng)調(diào)生態(tài)？筆者認(rèn)為，這里說(shuō)的生態(tài)包括開(kāi)放架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)+硬件生態(tài)+工具鏈軟件生態(tài)+應(yīng)用軟件生態(tài)等，生態(tài)形成以后，開(kāi)發(fā)者可以快速上手，相應(yīng)的軟硬件應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模爆發(fā)。

所以短期內(nèi)，ARM依然會(huì)占據(jù)中高端市場(chǎng)，RISC-V主要在一些碎片化的新興市場(chǎng)展開(kāi)應(yīng)用，比如物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的輕終端場(chǎng)景，這些場(chǎng)景有低功耗低成本的需求，但是往往程序不用大改、對(duì)軟件生態(tài)的依賴(lài)性不高、出貨量又很大，符合RISC-V階段性的發(fā)展目標(biāo)。

就像去年TWS藍(lán)牙無(wú)線耳機(jī)大火，結(jié)合該應(yīng)用需要考慮小型、快速、低功耗的特性，紫光展銳對(duì)應(yīng)推出了采用RISC-V處理器的TWS真無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)芯片—春藤5882，中科藍(lán)訊選擇RISC-V指令集作為藍(lán)牙SOC指令研發(fā)的基礎(chǔ)，這兩家在TWS芯片方面都已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模出貨。

另?yè)?jù)分析機(jī)構(gòu)Semico Research預(yù)測(cè)，到2025年，市場(chǎng)將總共消費(fèi)624億個(gè)RISC-V CPU核心。雖然和基于Arm出貨量在2019年10月就超過(guò)1500億相差甚遠(yuǎn)，但不妨礙產(chǎn)業(yè)暢想未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)是否真的能催生新的IP公司。