淺談RISC-V指令集架構(gòu)的來龍去脈

最近和幾個(gè)行業(yè)內(nèi)的朋友聊天，聊到了近兩年比較火的AI人工智能，并向我推薦了一款目前在小范圍內(nèi)比較火的國產(chǎn)處理器，我查了一下該處理器是采用的開源RISC-V指令集架構(gòu)。曾有人將RISC-V比作“半導(dǎo)體行業(yè)的Linux”，今天就和大家聊聊RISC-V架構(gòu)的來龍去脈。

RISC-V的由來

可能有些朋友不太清楚什么是CPU的指令集，其實(shí)就是指令的合集，那什么是指令呢？就是你吩咐CPU去做的事情。我在這里給大家打個(gè)比方：你有一個(gè)傭人，你給他下命令做飯、洗碗、端茶、倒水……這就是指令。把所有的指令總結(jié)在一起就是指令集。如果指令集里面沒有“洗腳”這個(gè)命令，那么你下這個(gè)命令CPU也不會(huì)執(zhí)行。CPU必須要有指令集才能工作，不同的CPU有不同的指令集，基本上可以分為兩種：復(fù)雜指令集CISC和精簡指令集RISC。

關(guān)于CPU的指令集架構(gòu)，我們最熟悉的應(yīng)該就是X86和ARM了，需要注意的是它們都不免費(fèi)。Intel的X86指令集架構(gòu)除了自家以外只授權(quán)給了AMD和威盛(VIA)，ARM稍微好一點(diǎn)不過價(jià)格也是不菲，一直有“天下苦ARM久矣”的玩笑。那除了它們倆之外還有其他指令集架構(gòu)嗎？答案當(dāng)然是有，我們今天說的RISC-V就是一個(gè)，而且還是開源免費(fèi)的。

起于2010年的美國加州大學(xué)伯克利分校（USNews世界大學(xué)排名第4），當(dāng)時(shí)伯克利研究團(tuán)隊(duì)要研發(fā)一款CPU，上面我們說過了要研發(fā)CPU就需要有指令集，X86指令集授權(quán)嚴(yán)格，ARM指令集授權(quán)費(fèi)用昂貴，其他指令集要么老舊要么也需要授權(quán)，在這種情況下伯克利研究團(tuán)隊(duì)決定從零開始設(shè)計(jì)一套全新的指令集，也就是我們今天說的RISC-V了。據(jù)說當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)四個(gè)人僅用了3個(gè)月就完成并發(fā)布了第一版指令集。當(dāng)時(shí)第一個(gè)版本只包含了不到50條指令，可以用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)具備定點(diǎn)運(yùn)算和特權(quán)模式等基本功能的處理器。

RISC-V的三大特點(diǎn)

第一點(diǎn)是完全開源，對(duì)指令集使用，RISC-V基金會(huì)不收取高額的授權(quán)費(fèi)。開源采用寬松的BSD協(xié)議，企業(yè)完全自由免費(fèi)使用，同時(shí)也容許企業(yè)添加自有指令集拓展而不必開放共享以實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展。

第二點(diǎn)是簡單，這也是RISC-V架構(gòu)的設(shè)計(jì)哲學(xué)。在處理器領(lǐng)域，X86與ARM架構(gòu)的發(fā)展過程也伴隨了現(xiàn)代處理器架構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，為了能夠保持架構(gòu)的向后兼容性，其不得不保留許多過時(shí)的定義，導(dǎo)致其指令數(shù)目多，指令冗余嚴(yán)重，文檔數(shù)量龐大，所以操作系統(tǒng)或者開發(fā)應(yīng)用門檻就會(huì)很高。而RISC-V架構(gòu)則能完全拋棄包袱，借助計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟技術(shù)的優(yōu)勢，從輕上路。RISC-V的規(guī)范文檔僅有145頁，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁。

第三點(diǎn)是模塊化，RISC-V架構(gòu)不僅短小精悍，而且其不同的部分還能以模塊化的方式組織在一起，從而試圖通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用場景。用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，來實(shí)現(xiàn)自己定制化設(shè)備的需要，比如針對(duì)于低功耗嵌入式場景，用戶可以選擇RV32IC組合的指令集，僅使用Machine Mode(機(jī)器模式)；而高性能應(yīng)用操作系統(tǒng)場景則可以選擇譬如RV32IMFDC的指令集，使用Machine Mode(機(jī)器模式)與User Mode（用戶模式）兩種模式。

RISC-V在中國

說了RISC-V的緣起與優(yōu)勢，大家一定想知道它對(duì)我國芯片行業(yè)的影響。我國芯片行業(yè)一直處于被壓制狀態(tài)，主流的指令集架構(gòu)X86和ARM都是受美國控制，今年五月份更是發(fā)生了美國政府限制ARM公司向華為提供新技術(shù)授權(quán)的事件。這時(shí)候RISC-V就顯得更為彌足珍貴了。

目前國家大力支持推廣RISC-V，上海成為國內(nèi)第一個(gè)將RISC-V列入政府扶持對(duì)象的城市，并發(fā)布了《上海市經(jīng)濟(jì)信息化委關(guān)于開展2018年度第二批上海市軟件和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目申報(bào)工作的通知》。對(duì)RISC-V相關(guān)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)提供政策資金幫助，鼓勵(lì)基于RISC-V自主處理器的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。

大家應(yīng)該對(duì)小米生態(tài)鏈企業(yè)華米科技不會(huì)感到陌生，在2017年華米科技成立了人工智能實(shí)驗(yàn)室，并啟動(dòng)了他們的人工智能智能可穿戴芯片研究項(xiàng)目，投身 RISC-V 芯片研發(fā)，并最終在去年 9 月推出了第一款芯片“黃山一號(hào)”。據(jù)介紹，這款采用RISC-V架構(gòu)設(shè)計(jì)的芯片是是全球首款集成AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的處理器，能本地化處理AI任務(wù)，對(duì)心率、心電、心律失常等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析。今年6月“黃山一號(hào)”已流片量產(chǎn)，主要用于華米穿戴智能設(shè)備AMAZFIT的主控芯片。

阿里旗下平頭哥半導(dǎo)體（前杭州中天微）在今年7月25日，正式發(fā)布采用RISC-V指令集架構(gòu)的玄鐵910(XuanTie910)。據(jù)介紹，玄鐵910可以用于設(shè)計(jì)制造高性能端上芯片，應(yīng)用于5G、人工智能以及自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。在性能方面，玄鐵910支持16核，主頻達(dá)到2.5GHz，比目前業(yè)界最好的RISC-V處理器性能高40%以上。

RISC-V目前的問題

依靠開源和免費(fèi)，RISC-V 非常受大學(xué)和科研院所青睞，并有望在教學(xué)領(lǐng)域大展拳腳，而這又會(huì)給 RISC-V 培養(yǎng)源源不斷的后備軍。對(duì)于商業(yè)公司來說，由于 ARM 的授權(quán)費(fèi)昂貴，也有較強(qiáng)的動(dòng)力去做 RISC-V，避免被綁死在 ARM 上。

不過，RISC-V 也存在一個(gè)隱憂，那就是缺乏強(qiáng)有力的主導(dǎo)者，進(jìn)而導(dǎo)致破碎化的問題。當(dāng)年的MIPS其實(shí)也非常學(xué)院派，MIPS陣營的商業(yè)公司可以自由添加指令，比如龍芯就以MIPS為基礎(chǔ)添加了1000多條新指令，進(jìn)而形成了自己的指令集 LoongISA。這又使開發(fā)軟件的時(shí)候，即便同樣屬于MIPS，也必須分為龍芯版和普通MIPS版。

由于RISC-V也允許用戶自己加新指令，這就有可能使RISC-V破碎化，也許未來華為、高通、谷歌開發(fā)出的 RISC-V 處理器雖然都屬于 RISC-V，但卻不能跑同樣一套軟件。畢竟完全開放與自成一脈是一對(duì)矛盾，如果無法解決這個(gè)問題，恐怕RISC-V很難成長到能與X86和ARM爭雄的水平。

總結(jié)

文章寫到這里相信大家應(yīng)該對(duì)RISC-V有了一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)。目前來說RISC-V對(duì)我們搞底層硬件的來說可能還有一點(diǎn)距離，但是電子行業(yè)的發(fā)展永遠(yuǎn)都是迅速的，說不準(zhǔn)我們今天用的STM32、GD32、i.MX會(huì)不會(huì)在未來幾年被某些RISC-V主控所替代，想當(dāng)年飛思卡爾當(dāng)紅主控coldfire系列在ARM內(nèi)核的主控來臨以后便迅速落寞淘汰。

這里交代一下我在文章最開頭提到的這段時(shí)間有點(diǎn)小火的國產(chǎn)主控芯片是Kendryte的勘智K210，邊緣AI芯片，感興趣的朋友可以玩一玩。