關(guān)于RISC-V與Arm的對(duì)比分析和各自的應(yīng)用

近日，開(kāi)源指令集RISC-V得到了越來(lái)越多的重視。RISC-V是加州大學(xué)伯克利分校的開(kāi)源指令集，由計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的宗師級(jí)人物David Patterson領(lǐng)銜打造，通過(guò)將核心指令集以及其他關(guān)鍵IP開(kāi)源，意圖大大改變半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)生態(tài)。隨著西部數(shù)據(jù)、Nvidia等業(yè)界巨頭以及大量初創(chuàng)公司宣布開(kāi)始使用RISC-V，ARM想必也感到了壓力。

ARM上線了質(zhì)疑risc-v的網(wǎng)站riscv-basics.com – 24小時(shí)后又下線了

北京時(shí)間7月10日，細(xì)心的網(wǎng)友在發(fā)現(xiàn)在Google搜索RISC-V時(shí)，得到的第一個(gè)結(jié)果是一個(gè)購(gòu)買(mǎi)了Google AdWord（即競(jìng)價(jià)排名）的搜索結(jié)果，即riscv-basics.com。

點(diǎn)進(jìn)該網(wǎng)站后，可以看到該網(wǎng)站列舉了對(duì)RISC-V的幾大質(zhì)疑，包括：

-成本：雖然RISC-V是開(kāi)源ISA，但是ISA僅僅是處理器芯片的一小部分，因此RISC-V的免費(fèi)ISA對(duì)于整體處理器的成本影響并不大。

-生態(tài)系統(tǒng)：RISC-V生態(tài)系統(tǒng)不夠完整，無(wú)法提供完整的（包括硬件到軟件）設(shè)計(jì)支持。

-碎片化風(fēng)險(xiǎn)：RISC-V生態(tài)中每個(gè)項(xiàng)目都可能會(huì)做自己的私有指令集擴(kuò)展，導(dǎo)致軟件兼容性不好，即碎片化問(wèn)題。

-安全性問(wèn)題：之前由大廠出品的x86和ARM許多處理器都遇到了安全性問(wèn)題（Spectre漏洞），而由一個(gè)尚處于起步階段組織或初創(chuàng)公司發(fā)布的RISC-V處理器遇到安全性問(wèn)題的可能性更大。

-設(shè)計(jì)驗(yàn)證：RISC-V雖然是開(kāi)源指令集可以自行改動(dòng)指令集，但是改動(dòng)指令集會(huì)需要大量設(shè)計(jì)驗(yàn)證，所以如果設(shè)計(jì)驗(yàn)證完整度不夠的情況下自行修改指令集反而容易出錯(cuò)。

riscv-basics.com的網(wǎng)站截圖

ARM網(wǎng)站上質(zhì)疑RISC-V架構(gòu)的圖片

五點(diǎn)質(zhì)疑是否有效

雖然網(wǎng)站已經(jīng)下線，但是圍繞該網(wǎng)站的討論并沒(méi)有結(jié)束。我們不禁要問(wèn)，該網(wǎng)站上列舉的五大質(zhì)疑是否有道理呢？

首先， 生態(tài)確實(shí)是目前RISC-V的短板。目前RISC-V社區(qū)還處于起步階段，在這一階段不太可能擁有完整的生態(tài)，因?yàn)樯鷳B(tài)建設(shè)需要時(shí)間。目前RISC-V由RISC-V基金會(huì)牽頭的生態(tài)建設(shè)勢(shì)頭還不錯(cuò)，如果這樣的勢(shì)頭保持下去未來(lái)我們可望看到非常完整的生態(tài)，甚至因?yàn)镽ISC-V的開(kāi)源特性，每個(gè)感興趣的個(gè)人或者團(tuán)隊(duì)都可以做出自己的貢獻(xiàn)并且其靈活的特性和授權(quán)，我們可能會(huì)看到RISC-V在未來(lái)會(huì)擁有比起ARM來(lái)說(shuō)更活躍的生態(tài)。

對(duì)于成本的質(zhì)疑則顯得缺乏根據(jù)，RISC-V的開(kāi)源模式其實(shí)是其最大的優(yōu)勢(shì)，類(lèi)似“指令集僅僅是處理器的一小部分因此指令集成本并沒(méi)有太大意義”這樣的說(shuō)法并不合適。指令集確實(shí)只是處理器的一小部分，但是卻是最核心的部分，ARM對(duì)其定價(jià)也非常高。這也是為什么ARM的授權(quán)中，如果客戶需要修改指令集，在ARM的基礎(chǔ)上加以定制優(yōu)化以形成自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)，則需要花大價(jià)錢(qián)去獲取“架構(gòu)授權(quán)”（目前全球花大代價(jià)獲得ARM架構(gòu)授權(quán)的公司并不多，都是例如蘋(píng)果、高通等巨頭），而相反如果只是從ARM授權(quán)一個(gè)IP硬核，其授權(quán)費(fèi)用就要低得多。

換句話說(shuō)，如果你真的從ARM處想要獲得指令集授權(quán)，那么指令集授權(quán)費(fèi)很可能會(huì)構(gòu)成你SoC芯片設(shè)計(jì)成本的大頭！這樣看來(lái)，RISC-V將指令集完全開(kāi)源，任何公司和個(gè)人都可以自由使用、修改與定制的模式將會(huì)帶來(lái)很大的成本優(yōu)勢(shì)，另外這樣的開(kāi)源舉措會(huì)大大降低指令集修改和定制的進(jìn)入門(mén)檻，使更多人有機(jī)會(huì)探索并定制個(gè)性化指令集，從而使RISC-V生態(tài)更加生機(jī)勃勃，而不只是有錢(qián)人才能玩的游戲。

對(duì)于指令集碎片化的質(zhì)疑，則確實(shí)是不少設(shè)計(jì)者所關(guān)心的。為了引入更多設(shè)計(jì)靈活性，碎片化似乎是不得不面對(duì)的問(wèn)題。事實(shí)上，RISC-V基金會(huì)主席（同時(shí)也是RISC-V在加州大學(xué)伯克利分校的主要開(kāi)發(fā)者）Krste Asanovic曾經(jīng)在專(zhuān)訪中回答過(guò)關(guān)于碎片化的問(wèn)題。Asanovic指出，RISC-V基金會(huì)制定了一系列規(guī)范來(lái)保證兼容性，RISC-V分為基礎(chǔ)指令集和拓展集兩部分，所有的RISC-V處理器都會(huì)支持40條基礎(chǔ)指令集，這是兼容性的首要保證。

此外，每個(gè)擴(kuò)展指令集處理器往往只是面對(duì)一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)場(chǎng)景，而不會(huì)想做成通用場(chǎng)景處理器，因此碎片化并不是問(wèn)題；最后，如果某一細(xì)分場(chǎng)景逐漸變得流行，則RISC-V基金會(huì)會(huì)推動(dòng)針對(duì)該場(chǎng)景的拓展指令集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)該說(shuō)碎片化問(wèn)題有可能是RISC-V未來(lái)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，這個(gè)問(wèn)題和前面的生態(tài)建設(shè)息息相關(guān)，如果生態(tài)建設(shè)地好則指令集分散化反而會(huì)成為RISC-V的優(yōu)勢(shì)。

最后，對(duì)于安全和設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面的指責(zé)則顯得有點(diǎn)牽強(qiáng)。就安全方面來(lái)說(shuō)，之前的Spectre和Meltdown漏洞中，Intel、AMD和ARM的大多數(shù)處理器都出現(xiàn)了問(wèn)題，這是由于計(jì)算機(jī)架構(gòu)（如亂序執(zhí)行、TLB等）沿用已久的經(jīng)典設(shè)計(jì)在出現(xiàn)的時(shí)候壓根就沒(méi)有考慮到會(huì)有這類(lèi)問(wèn)題，相反使用較新架構(gòu)的RISC-V處理器（例如Rocket系列）卻在這次漏洞事件中表現(xiàn)出了更好的安全性，因此網(wǎng)站責(zé)難說(shuō)RISC-V處理器安全性存在問(wèn)題反倒顯得有一些諷刺意味。

對(duì)于設(shè)計(jì)驗(yàn)證，“改動(dòng)指令集會(huì)需要大量設(shè)計(jì)驗(yàn)證，所以如果設(shè)計(jì)驗(yàn)證完整度不夠的情況下自行修改指令集反而容易出錯(cuò)”這樣的觀點(diǎn)幾乎就等同于是因噎廢食，首先RISC-V基礎(chǔ)和主流擴(kuò)展指令集目前已經(jīng)有大量的芯片以及FPGA原型在跑，驗(yàn)證度已經(jīng)很高，其次每一家負(fù)責(zé)任的公司都會(huì)仔細(xì)掂量修改指令集的難度，如果超過(guò)自己的能力范圍自然會(huì)轉(zhuǎn)而選擇成熟的經(jīng)大量驗(yàn)證的指令集版本，但是以“指令集修改需要大量驗(yàn)證，我不讓你改還主要是為了你好”為理由剝奪大部分公司修改指令集的自由則無(wú)疑是荒唐的。

未來(lái)ARM和RISC-V的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)何去何從？

目前ARM占據(jù)了以移動(dòng)設(shè)備為代表的處理器IP的絕大部分市場(chǎng)，而RISC-V則是后起之秀。那么，未來(lái)會(huì)何去何從呢？

目前的ARM和RISC-V讓我想起了上世紀(jì)末的Windows和Linux之爭(zhēng)。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)主流設(shè)備是PC，而Windows則當(dāng)仁不讓是PC端的絕對(duì)主流操作系統(tǒng)，Linux則主要是小眾極客的選擇。隨著時(shí)代的推移，計(jì)算設(shè)備的潮流逐漸轉(zhuǎn)向了移動(dòng)設(shè)備，到了今天又轉(zhuǎn)到了云端數(shù)據(jù)中心高性能計(jì)算。

我們看到之前的操作系統(tǒng)霸主Windows在移動(dòng)設(shè)備和高性能計(jì)算領(lǐng)域都沒(méi)有獲得很多份額，這一方面是因?yàn)閃indows本來(lái)就是為了PC設(shè)計(jì)，其核心代碼比較復(fù)雜，不便于移植；另一方面其商業(yè)軟件非開(kāi)源的特性也讓W(xué)indows的開(kāi)發(fā)限定在了微軟公司內(nèi)部。

Linux則完全不同，其核心代碼很輕，而且沒(méi)有兼容性等歷史包袱，因此移植起來(lái)比較容易，此外其開(kāi)源的特性讓社區(qū)中的愛(ài)好者程序員可以參與Linux開(kāi)發(fā)，他們針對(duì)Linux本身的移植、改良和開(kāi)發(fā)以及各種Linux平臺(tái)上的程序形成了Linux生態(tài)中的重要部分。對(duì)于愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，Linux開(kāi)源項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)雖然沒(méi)有金錢(qián)回報(bào)，但是這些開(kāi)發(fā)經(jīng)歷被業(yè)界認(rèn)可，可以成為簡(jiǎn)歷上的重要一部分。這樣，Linux開(kāi)源社區(qū)和愛(ài)好者互惠互利，形成了良性互動(dòng)。到了今天，Linux已經(jīng)成為了云端數(shù)據(jù)中心高性能計(jì)算的主流操作系統(tǒng)之一，在移動(dòng)端的主流操作系統(tǒng)Android也是基于Linux的內(nèi)核開(kāi)發(fā)。

ARM和RISC-V的未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)格局也可能類(lèi)似。首先幾乎可以肯定的是，在ARM的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，即手機(jī)領(lǐng)域，RISC-V基本沒(méi)有機(jī)會(huì)，因?yàn)槭謾C(jī)經(jīng)過(guò)十年迭代后不太會(huì)徹底改變處理器內(nèi)核了，這也和目前Windows經(jīng)過(guò)二十多年風(fēng)雨仍然是PC市場(chǎng)操作系統(tǒng)龍頭老大一樣。

但是，在新興的領(lǐng)域，RISC-V和ARM都處于同一起跑線上，而RISC-V憑著指令集開(kāi)源等特性很有可能可以擊敗ARM，或者至少能夠占據(jù)可觀的市場(chǎng)份額。目前這樣的新興市場(chǎng)主要是物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)有長(zhǎng)尾化的特性，擁有眾多細(xì)分市場(chǎng)，同時(shí)對(duì)于功耗有很高的要求，因此對(duì)于可以針對(duì)不同應(yīng)用靈活修改指令集和芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)的RISC-V有優(yōu)勢(shì)，相比之下使用ARM往往只能做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，很難實(shí)現(xiàn)差異化。

此外，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)對(duì)于成本較敏感，RISC-V免費(fèi)授權(quán)的特點(diǎn)對(duì)于芯片廠商也很重要。在RISC-V基金會(huì)名單中，我們可以看到高通、聯(lián)發(fā)科這樣重點(diǎn)布局物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)。而在目前很火的AI芯片市場(chǎng)，ARM和RISC-V則尚看不出明顯的優(yōu)劣。這是因?yàn)楦咝阅蹵I芯片中無(wú)論是使用ARM還是RISC-V的核，主要都是作為控制器來(lái)使用，最主要的也是最核心的計(jì)算單元往往是電路設(shè)計(jì)師自行設(shè)計(jì)而不會(huì)使用IP；另一方面AI芯片的利潤(rùn)空間往往較大，因此RISC-V的免費(fèi)的特點(diǎn)并沒(méi)有帶來(lái)特別大的優(yōu)勢(shì)。