近來開源架構(gòu)這話題著實(shí)挺火，尤其是RISC-V，感覺哪兒都有它。開源架構(gòu)早就不是什么新鮮事兒了，丫RISC-V又是打哪兒冒出來的？

同是“開源”，有啥不同？

說起開源指令集，Power和SPARC經(jīng)常被人們提起，但Power和SPARC從服務(wù)器和工作站發(fā)展而來，指令集相對(duì)龐大。去看看Power的指令手冊(cè)[1]，900來?xiàng)l指令，用了18頁才寫完，需要非常有實(shí)力、財(cái)力和積累的廠商才有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)。這不明擺著就是打這“開源”的旗號(hào)等著你花錢去買“技術(shù)轉(zhuǎn)移”么？SPARC[2]雖沒有Power那么復(fù)雜，但是體量也不小。而且這么多年似乎只有Sun/Oracle和少數(shù)幾個(gè)廠商在玩，在去IOE的大背景和Linux等其他開源系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的強(qiáng)勢發(fā)展下，領(lǐng)地似乎越來越小。上一代SPARCv8標(biāo)準(zhǔn)的開源核心LEON的確在軍工航天領(lǐng)域被廣泛使用，但在消費(fèi)類領(lǐng)域卻很少被使用，這值得深思。

開源架構(gòu)每隔幾年就出一新東西，然后總能帶動(dòng)起一批國內(nèi)廠商開發(fā)自主創(chuàng)新處理器，但是這次有點(diǎn)不一樣，不一樣在哪兒呢？就是這次國內(nèi)的RISC-V參與者們很多都是民營私營企業(yè)，公司的參與程度也一點(diǎn)兒也不比科研院所差，比如很早就加入基金會(huì)里的樂鑫、中天微等，而不像過去都是國家和地方政府資助的幾個(gè)獨(dú)苗。這個(gè)事實(shí)的背后必然是深刻的產(chǎn)業(yè)和市場化的商業(yè)行為。

那RISC-V到底有啥不同呢？模塊兒化不得不提，最簡單的RV32I只有40條指令，想功能多點(diǎn)就用其他指令模塊，像拼積木一樣，用啥拿啥，要啥有啥，沒啥造啥。有點(diǎn)能力的大學(xué)生幾個(gè)月就能做一個(gè)[3]，難度下降了，再配合現(xiàn)成的工具鏈啥的，很多有能力廠商都根據(jù)自己的需求自己做一個(gè)。當(dāng)然這樣并不意味著RISC-V不能做大型處理器，配合其他指令集模塊，RISC-V可以支持浮點(diǎn)、向量運(yùn)算、加密等諸多功能。這就是RISC-V最獨(dú)到的地方：能伸能縮。

有人說從一個(gè)指令集出現(xiàn)到得到成熟廣泛的應(yīng)用，要十幾年。如果說是實(shí)現(xiàn)一個(gè)IBM Power或者SPARC或者x86這樣的指令集的CPU的話，我覺得你說的沒錯(cuò)，沒點(diǎn)兒積累的確起不來。但是RISC-V因?yàn)槟K化，因?yàn)樽銐蚝唵?，因?yàn)殚_源軟件的成熟，因?yàn)楹茉缇湍芴峁┩暾纳鷳B(tài)，就真的用短短幾年做出了一些成果。以SiFive為例，去年發(fā)布的FE310只是個(gè)MCU級(jí)別的芯片，今年初就已經(jīng)推出了4+1核可以運(yùn)行Linux的SoC。

碎片化還那么重要么？

很多人就擔(dān)心碎片化這個(gè)問題，在看到了過去ARM和MIPS在碎片化上的得與失，認(rèn)為RISC-V的碎片化問題會(huì)更加嚴(yán)重。的確，過去ARM為了防止碎片化，嚴(yán)格禁止用戶修改指令集，這的確一定程度上成就了ARM。但是RISC-V解決的思路并不是嚴(yán)格限制，像大禹治水一樣，不是到處壘壩，靠的是疏導(dǎo)。這個(gè)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，前面提到的模塊化指令集，讓廠商在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候能夠根據(jù)自己的需求選擇標(biāo)準(zhǔn)指令集組合，廠商完全沒有必要為不兼容付出額外的成本。其次，指令集里預(yù)留好了大量的定制指令空間，指令長度從16比特到1024比特理論上都支持，這些空間就是專門給定制處理器的廠商實(shí)現(xiàn)自己的指令集的。這樣一來，基本的軟件都能兼容，遇到定制指令集，廠家提供預(yù)先設(shè)計(jì)好的函數(shù)庫就能在很好地保證效率的同時(shí)不失兼容性?？梢哉f過去ARM/Intel啥都不讓你做，如今有了RISC-V，妹妹你放心大膽的往前走。

換個(gè)角度說，過去在PC時(shí)代，我們真心得擔(dān)心碎片化帶來的諸多不利影響。如今，在IoT即將迎來爆發(fā)的時(shí)代，我們需要的是多種多樣的定制化處理器和芯片，來完成數(shù)據(jù)采集、低功耗、無線通信等諸多不同的工作任務(wù)。需求越差異化，開源工具越流行，上層軟件越平臺(tái)無關(guān)，指令集碎片化所帶來的影響就越小。樂鑫并沒有使用ARM指令集標(biāo)準(zhǔn)的CPU，就能做出今天的成績足以證明碎片化帶來的影響早已經(jīng)不是主要矛盾。這個(gè)趨勢是很明顯的，時(shí)代不同了。

指令集設(shè)計(jì)真不是你想的那么簡單

這時(shí)候你又說了，RISC-V架構(gòu)簡單，面積小功耗低，MIPS不也一樣么？其實(shí)啊，在CPU設(shè)計(jì)里，指令集看似是最簡單的，但其實(shí)想把簡單的事情做好才是最難的。一方面，RISC-V生的晚，得算10后，這就能讓它吸取很多前輩失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，比如寄存器窗口啊、超長指令字啥的，很多坑都前人都踩過一遍了。還有，別看指令集就是那些個(gè)寄存器數(shù)量、分支跳轉(zhuǎn)啊、Load/Store之類的，可要想設(shè)計(jì)一個(gè)又高效，代碼密度又高的指令集可不是那么容易。但目前為止，RISC-V這個(gè)“學(xué)院派”們做出來的指令集，表現(xiàn)還是很不錯(cuò)的。就以很重要的指令密度這個(gè)指標(biāo)來講做的和x86_64和ARMv8不相上下[4]。指令集能夠保持高水準(zhǔn)，后面廠商的技術(shù)能力就不會(huì)受到限制，要知道，自身能力才是關(guān)鍵。

關(guān)于RISC-V的設(shè)計(jì)水平到底怎樣，David Ditzel應(yīng)該最有話語權(quán)，他曾是早期的SPARC架構(gòu)師，后創(chuàng)過一公司，叫全美達(dá)。當(dāng)年把Linus和鮑爾默拉一塊兒用RISC架構(gòu)搞了個(gè)X86 CPU，一度讓Intel差點(diǎn)跌落神壇。這哥們兒前幾年評(píng)估了RISC-V，越玩兒越覺得這東西不簡單，最后的評(píng)測的結(jié)果是，和ARM/MIPS/SPARC相比，毫不遜色[5]。之后他就果斷創(chuàng)業(yè)開搞高性能RISC-V處理器了。

錢的事兒不能不提

說完技術(shù)，就得聊聊錢的事兒了。盡管這些個(gè)年Arm為了走量的確降低了門檻，但其實(shí)費(fèi)用也不低，Cortex-M0和Cortex-M3盡管可以用幾萬美元就拿到授權(quán)，可是反過來卻要收高昂的版稅，而且還要按照芯片成品價(jià)抽，用M0和M3的芯片多為低成本芯片，這版稅直接影響利潤啊。過去，這錢你不交也沒辦法，因?yàn)槟阋怯靡恍﹤€(gè)小眾的CPU，生態(tài)是個(gè)大問題，ARM背后的整個(gè)生態(tài)是個(gè)重要的背書。但RISC-V看著很快就要改變這個(gè)局面，各大第三方廠商都開始紛紛支持RISC-V，從商業(yè)指令仿真器到高級(jí)調(diào)試跟蹤工具應(yīng)有盡有。蘋果、高通、三星這些廠商很早就買了ARM架構(gòu)授權(quán)，但是你會(huì)發(fā)現(xiàn)高通和三星很早就加入RISC-V基金會(huì)，這些有自研CPU能力的大廠不出5年，我相信就能夠隨著生態(tài)系統(tǒng)的全面完善而開始推出自己的RISC-V處理器。

很多人覺得就算架構(gòu)免費(fèi)，但是基于這個(gè)架構(gòu)的CPU實(shí)現(xiàn)總是要收錢的吧。這話一點(diǎn)兒沒錯(cuò)，CPU IP廠商針對(duì)不同的領(lǐng)域開發(fā)CPU然后賣給有意向的客戶，然后收取相應(yīng)費(fèi)用。但這是不是說就和Arm這些廠商沒有區(qū)別呢？其實(shí)不完全是，以SiFive為例，目前的授權(quán)費(fèi)用是30-50萬美元，能得到一個(gè)類似M4-M7的核心，但是和ARM的不同的是，只要License Fee，不收版稅。但其實(shí)，SiFive CPU Core的基礎(chǔ)Rocket是完全開源的，盡管和商業(yè)版本有少量區(qū)別，但是對(duì)于有一定技術(shù)能力的公司，基于這個(gè)核心定制出自己的核完全沒有問題。

一個(gè)可喜的狀況是，目前市面上已經(jīng)有大量開源的CPU可供選擇，而且大部分都以非常寬松和商業(yè)友好的許可證發(fā)布[6]。

二次元的入口在哪？

不論是Intel還是Arm，他們的成功絕不是僅僅因?yàn)榧夹g(shù)。Intel不只是有傲視群雄的Fab和研發(fā)團(tuán)隊(duì)，沒有Wintel聯(lián)盟這些商業(yè)決策它一樣可能完蛋。Arm做了幾十年的低功耗處理器，可沒有創(chuàng)造性的IP核授權(quán)商業(yè)模式，也一樣會(huì)被打敗。如果說未來會(huì)出現(xiàn)下一個(gè)在這個(gè)領(lǐng)域成功的巨頭，那么它絕不是照搬Intel和ARM的商業(yè)模式，一定是因?yàn)樗虡I(yè)模式和技術(shù)進(jìn)步上都取得了顯著的優(yōu)勢才能成功。

記住，你并不需要“取代”Intel或者ARM，一旦你找到了二次元的入口，那么在這個(gè)新的次元里，根本就沒有x86和ARM這兩個(gè)對(duì)象。

過去沒有的”選擇”

多年來的經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)以及研究結(jié)果告訴我們，指令集架構(gòu)和性能的關(guān)系并不大，Intel那么多年前的x86指令集今年依然能夠做到業(yè)界領(lǐng)先就充分證明了這一點(diǎn)。指令集，是軟件和硬件的接口，在兼容性層面來說是重要的一環(huán)；但是從性能來講，越是復(fù)雜和高性能的處理器，指令集優(yōu)劣所帶來的影響就越小。如果能夠認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，我們就能夠明白R(shí)ISC-V并沒有也不需要比x86或者ARM有太多技術(shù)上的創(chuàng)新，只要給廣大廠商提供了一種選擇就夠了。什么選擇呢，一個(gè)集大成者的指令集，能夠充分的吸取過去30-40年的技術(shù)進(jìn)步，并且開放、沒有壁壘、成本趨于0的指令集。RISC是上世紀(jì)80年的提出的，相關(guān)研究已經(jīng)無比成熟。站在如今這個(gè)摩爾定律幾近終結(jié)的點(diǎn)上，我們需要花費(fèi)更多的精力在DSA架構(gòu)和敏捷硬件開發(fā)上，RISC-V在其中扮演的是助攻的角色。

去翻翻托馬斯·弗里德曼的《世界是平的》這本書吧，“相信開放，別以為壁壘有多少幫助”，ARM、x86、RISC-V仍然會(huì)長期共存，但高墻會(huì)被抹平。

迅速成熟的生態(tài)系統(tǒng)

指令集架構(gòu)并不昂貴，昂貴的是打通上下的生態(tài)系統(tǒng)。OpenRISC面世以來，因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)上沒有高質(zhì)量的持續(xù)的投入，所以10多年來都沒有進(jìn)入各大工具鏈的主線。RISC-V看似和OpenRISC很像，但從2014年發(fā)布這短短的4年里，已經(jīng)相繼被Linux/gcc/glibc/binutils/gdb/qemu等并入官方主線。RISC-V能夠用僅僅幾年做到OpenRISC十幾年沒做到的，沒有基金會(huì)里各個(gè)大廠商齊心協(xié)力和腳踏實(shí)地的推動(dòng)是不可能做到的。可以說這些大小廠商組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)各自發(fā)揮所長，完成了過去IBM和Sun在生態(tài)系統(tǒng)上做到的所有工作，否則生態(tài)環(huán)境不會(huì)這么快成熟起來。

有了生態(tài)系統(tǒng)的飛速進(jìn)展，眾多廠商都能夠從中得到好處；活躍的社區(qū)和眾多開源核心，又極大的降低了廠商們的開發(fā)門檻；廠商的積極參與又能夠繼續(xù)推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，最終形成正反饋。面對(duì)一個(gè)門檻相對(duì)較低的“活著”的指令集，配合迅速成熟中的生態(tài)環(huán)境，對(duì)于很多國內(nèi)企業(yè)來說只要你有需求就有理由參與其中。

RISC-V的正確打開方式

在大眾當(dāng)中一個(gè)非常普遍的誤區(qū)和思維定勢是，設(shè)計(jì)或者生產(chǎn)CPU/MCU芯片應(yīng)該是一個(gè)公司的主營業(yè)務(wù)，或者說一家用RISC-V的公司一定得是賣CPU/MCU的?？梢哉f，市場上的確需要設(shè)計(jì)生產(chǎn)用于PC的、手機(jī)的以及嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用的MCU，而這也的確是RISC-V的打開方式之一。但是，這只RISC-V是冰山一角，我們能看到很多企業(yè)，在自身的領(lǐng)域里，通過在自己的產(chǎn)品或者解決方案中嵌入一個(gè)RISC-V CPU來降低成本、提高靈活性，最終提高自身的競爭力。比如NVidia將自己原來自研的處理器，換成了兼容RISC-V的處理器，很快就要進(jìn)入到下一代顯卡中作為內(nèi)部控制核心；CEVA為自己的DSP通信解決方案設(shè)計(jì)了一個(gè)用于低功耗的控制處理器；Rambus前不久剛發(fā)布的解決方案里用一顆RISC-V CPU實(shí)現(xiàn)一個(gè)孤立的系統(tǒng)以保護(hù)系統(tǒng)安全。

前面的幾個(gè)例子闡明了RISC-V的另一種重要的打開方式，那就是幫助各個(gè)領(lǐng)域的企業(yè)來降低成本、提高靈活性，從而提高企業(yè)自身的競爭力，這才是商業(yè)的本質(zhì)。所以，如果說“問正確的問題”是成功的先決條件的話。那么請(qǐng)問問你自己：”作為一家企業(yè)，你自身的優(yōu)勢是什么？RISC-V是否有機(jī)會(huì)能夠幫助你提高競爭力呢？”

新時(shí)代，要有新思路！