RISC-V再加速 半導(dǎo)體巨頭聯(lián)手布局

在高通首席執(zhí)行官（CEO）克里斯蒂亞諾·阿蒙（Cristiano Amon）的領(lǐng)導(dǎo)下，高通將與恩智浦、北歐半導(dǎo)體公司（Nordic Semiconductor）、英飛凌以及博世聯(lián)合成立一家新公司，旨在推廣用于芯片設(shè)計(jì)的開源RISC-V架構(gòu)，通過開發(fā)下一代硬件來推動(dòng)RISC-V生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)展。

據(jù)了解，新公司將設(shè)在德國，同時(shí)考慮到恩智浦和英飛凌將參與投資，該公司應(yīng)該是先專注于汽車芯片領(lǐng)域，最終擴(kuò)展到移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

恩智浦執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官Lars Reger表示，該合資公司將努力“開創(chuàng)完全認(rèn)證的基于RISC-V的IP和架構(gòu)，最初將用于汽車行業(yè)”；英飛凌汽車部門總裁Peter Schiefer則表示，“隨著汽車成為軟件定義的汽車，整個(gè)行業(yè)普遍需要標(biāo)準(zhǔn)化和生態(tài)系統(tǒng)兼容性?！?/span>

高通與ARM對(duì)簿公堂

該訴訟的審判定于2024年9月23日開始。值得說明的是，ARM公司旗下的ARM IP授權(quán)是分等級(jí)的，用公版CPU授權(quán)以及自研CPU架構(gòu)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)不同，這才是高通與ARM之間互相起訴的關(guān)鍵。

ARM壟斷弊端逐漸顯現(xiàn)

當(dāng)前，移動(dòng)芯片市場(chǎng)的性能之爭愈演愈烈，然而不論高通、英偉達(dá)，還是三星、蘋果，實(shí)際上都是基于ARM架構(gòu)開發(fā)的。目前為止，ARM已經(jīng)占據(jù)了智能手機(jī)芯片領(lǐng)域95%以上的市場(chǎng)份額，包括平板電腦等，ARM實(shí)際上已經(jīng)完全控制了整個(gè)移動(dòng)芯片領(lǐng)域。

但是，ARM多重收費(fèi)加重芯片設(shè)計(jì)廠成本負(fù)擔(dān)：芯片設(shè)計(jì)廠商從ARM的“架構(gòu)庫”里挑選合適的IP核，需先向ARM支付一筆數(shù)十到數(shù)百萬美元的許可費(fèi)（Licensing Fee）才能得到授權(quán)，開始設(shè)計(jì)芯片；每次流片，都需向ARM支付一筆費(fèi)用；芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后，還要根據(jù)芯片的銷售額繳納1-2%的版稅（Royalty）；還對(duì)部分客戶征收合作費(fèi)（Access Fee）或年費(fèi)（Annual Fee）。此外，ARM依托市場(chǎng)壟斷地位，持續(xù)提升授權(quán)費(fèi)的定價(jià)。

ARM平均每顆芯片的版稅收入已連續(xù)4年提升（單位：美分）

不僅如此，ARM還要求半導(dǎo)體廠商不得采用公版架構(gòu)之外的任何配置，像是NPU、ISP等負(fù)責(zé)智能手機(jī)各項(xiàng)重要功能的核心都只能按照ARM提供的部分進(jìn)行設(shè)置。為了避免過度依賴ARM架構(gòu)及提升對(duì)ARM公司的話語權(quán)，芯片巨頭正傾斜大量研究資源專注于RISC-V架構(gòu)。

此前高通曾透露，從2019年推出驍龍865開始，高通就在其芯片中集成了RISC-V內(nèi)核，在后臺(tái)執(zhí)行低級(jí)工作，比如管理硬件。截至2022年12月，高通已交付超過6.5億個(gè)RISC-V內(nèi)核。此外，高通還曾暗示可能會(huì)在包括其流行的驍龍智能手機(jī)芯片在內(nèi)的產(chǎn)品中，采用RISC-V架構(gòu)而非ARM架構(gòu)。

什么是RISC-V架構(gòu)

RISC-V是由美國加州伯克利大學(xué)于2010年研發(fā)的、基于精簡指令集計(jì)算原理建立的開放指令集，指令集是指存儲(chǔ)在CPU內(nèi)部，引導(dǎo)CPU進(jìn)行運(yùn)算，介于軟件和底層硬件之間的一套程序指令合集。

2023年1月，谷歌宣布將致力于安卓系統(tǒng)全面適配RISC-V。RISC-V作為目前最受歡迎的開源指令集架構(gòu)，其核心是允許任何公司基于開源指令集開發(fā)各類定制芯片 —— 基礎(chǔ)的ISA和IP核開源免費(fèi)，并且從底層設(shè)計(jì)上模塊化、允許自定義拓展，使得芯片設(shè)計(jì)廠商擁有更高的研發(fā)自由度，同時(shí)前期投入成本較低，降低小型和新興公司的進(jìn)入壁壘。

RISC-V的設(shè)計(jì)使得它非常容易在不同的平臺(tái)上移植，因?yàn)镮SA的設(shè)計(jì)是相對(duì)簡單和透明的，而且遵循了統(tǒng)一的規(guī)范和接口標(biāo)準(zhǔn)，使得軟件和硬件之間的互操作性更好。除了開放性、靈活性和可擴(kuò)展性之外，RISC-V還具有高性能和低功耗的優(yōu)勢(shì)。

另一方面，與誕生于上世紀(jì)70-80年代的x86、ARM架構(gòu)相比，RISC-V作為新生的指令集架構(gòu)，不需要考慮向后的兼容性。熟悉體系結(jié)構(gòu)的工程師僅需幾天便可通讀全文，學(xué)習(xí)門檻更低、易于上手，縮短了處理器及編譯器的研發(fā)周期。

值得注意的是，由于RISC-V采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)可以在底層指令集的基礎(chǔ)上，按需要自行開發(fā)指令集拓展模塊或形成微架構(gòu)，并可以收費(fèi)授權(quán)其他企業(yè)使用。因此，RISC-V不是單純的全部開源，而是給生態(tài)參與者留出了獲益的空間，有助于激勵(lì)更多企業(yè)和開發(fā)者參與生態(tài)建設(shè)。一旦生態(tài)得到完善，對(duì)于任何一家芯片設(shè)計(jì)廠而言，采用RISC-V架構(gòu)的成本必然低于ARM。 

截止至2022年7月，RISC-V架構(gòu)芯片的出貨量已經(jīng)突破了百億顆，并預(yù)計(jì)在2025年將突破800億顆。RISC-V架構(gòu)的開放性和成本效益的優(yōu)勢(shì)使其在CPU市場(chǎng)上成為ARM的強(qiáng)大競爭對(duì)手，隨著生態(tài)系統(tǒng)的成熟，行業(yè)必將見證一場(chǎng)重大變革。

不過，RISC-V架構(gòu)短時(shí)間想要超越x86架構(gòu)以及ARM架構(gòu)仍有相當(dāng)大難度：x86架構(gòu)擁有長達(dá)40年歷史積淀，不管是PC還是服務(wù)器以及相關(guān)軟件帶動(dòng)的應(yīng)用服務(wù)市場(chǎng)已經(jīng)相當(dāng)龐大；而ARM架構(gòu)在移動(dòng)市場(chǎng)的應(yīng)用規(guī)模也難以被取代。

RISC-V未來面臨的挑戰(zhàn)

雖然RISC-V現(xiàn)在的討論熱度很高，但在技術(shù)成熟度上仍處于發(fā)展早期，整個(gè)生態(tài)實(shí)際仍在建設(shè)初期。從業(yè)內(nèi)反饋來看，實(shí)踐中出現(xiàn)多種問題，例如基礎(chǔ)架構(gòu)不支持I/O的虛擬化，需要另行開發(fā)支持這一功能的IP核；容易出現(xiàn)尋址模式錯(cuò)誤等。RISC-V架構(gòu)目前的覆蓋場(chǎng)景有限，各類IP核還需要不斷擴(kuò)充，所需要的基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)、軟件工具也在完善中，這些一定程度上阻礙了下游芯片的推廣，影響了RISC-V芯片的市場(chǎng)競爭力，所以相對(duì)來說其只在中低端應(yīng)用市場(chǎng)有一定競爭力。

RISC-V高性能應(yīng)用領(lǐng)域的芯片若要實(shí)現(xiàn)落地，還面臨一些亟待解決的問題：需要構(gòu)建一套數(shù)學(xué)計(jì)算庫，以保證計(jì)算精度、計(jì)算效率與源代碼級(jí)安全可控。另外，整體軟件生態(tài)也是必要條件，需要底層框架、操作系統(tǒng)、中間件、關(guān)鍵庫、應(yīng)用軟件全方位適配，RISC-V目前大多是用在相對(duì)封閉的應(yīng)用場(chǎng)景，軟件需求相對(duì)簡單和固定，芯片原廠就能實(shí)現(xiàn)70%的軟件。而未來走向開放應(yīng)用場(chǎng)景，軟件需求會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長，例如各種操作系統(tǒng)的移植，中間件和庫函數(shù)的優(yōu)化，以及各種開發(fā)框架的適配等，每一個(gè)技術(shù)點(diǎn)都是巨大的工程。

RISC-V生態(tài)的“碎片化”是由其開放性和免費(fèi)使用IP的特點(diǎn)所決定的，也正是高通聯(lián)合其他四家公司成立新公司要致力解決的主要問題。RISC-V技術(shù)工作組已經(jīng)在提供一些新的機(jī)制，比如通過配置（Profile）機(jī)制確保ISA被很好地定義并具有合理的配置，來規(guī)范軟件生態(tài)，保證了最低限度的ISA統(tǒng)一性，從而使生態(tài)不會(huì)過于碎片化。

碎片化也算是在差異化或者創(chuàng)新過程中的一部分，并不存在系統(tǒng)性缺陷，且更加開放的標(biāo)準(zhǔn)，往往會(huì)更具生命力。RISC-V標(biāo)準(zhǔn)定義了自定義ISA應(yīng)該存在的位置，而這種差異化或創(chuàng)新可能會(huì)成為未來RISC-V ISA標(biāo)準(zhǔn)和配置的特性。

芯片架構(gòu)真正的興起都是伴隨著一代計(jì)算平臺(tái)的崛起，就如PC之于x86，智能手機(jī)之于ARM。雖然RISC-V在低功耗領(lǐng)域已經(jīng)可以和ARM平分秋風(fēng)，但對(duì)于RISC-V能否在最重要的移動(dòng)、PC和服務(wù)器市場(chǎng)挑戰(zhàn)主流的ARM和x86架構(gòu)，外界始終存在質(zhì)疑。

架構(gòu)遷移并非易事，系統(tǒng)和芯片之外最難的就是開發(fā)和應(yīng)用生態(tài)的遷移，最近成功的例子就是蘋果Mac從x86轉(zhuǎn)向ARM，蘋果M系列芯片在PC市場(chǎng)的成功，過去x86壟斷的局面已然被打破。 

就像ARM此前普遍不被看好能夠在性能上與x86一戰(zhàn)一樣，基于精簡指令集開發(fā)的RISC-V在高性能上也備受質(zhì)疑。從架構(gòu)上來看，ARM與RISC-V終有一戰(zhàn)，它們起源于同宗，應(yīng)用領(lǐng)域也大體相同，但幸運(yùn)的是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來讓它有了發(fā)展的潛力。

一旦安卓實(shí)現(xiàn)向RISC-V的遷移，谷歌、高通都能打破ARM的制肘，RISC-V也能乘風(fēng)而上。我們無法預(yù)知RISC-V、ARM和x86勝負(fù)幾何，卻已經(jīng)感受到了這場(chǎng)戰(zhàn)爭的序幕已經(jīng)徐徐拉開。