RISC-V指令集架構(gòu)為何？為何逐漸獲科技大廠與新創(chuàng)業(yè)者的支持？

2018年2月美國新創(chuàng)業(yè)者SiFive(圖1)發(fā)表Freedom U500芯片的技術(shù)細節(jié)，同月份法國新創(chuàng)芯片商GreenWave也發(fā)表GAP8芯片，加上后續(xù)相關(guān)消息，如***晶心科技(Andes)推出AndeSatr V5硅智財(Intellectual Property, IP)及英特爾(Intel)投資SiFive等，使RISC-V指令集架構(gòu)(Instruction Set Architecture, ISA)逐漸受業(yè)界關(guān)注。

圖1SiFive共同創(chuàng)辦人兼技術(shù)長的Yunsup Lee在2013年于柏克萊分校的Par實驗室手持RISC-V原型品芯片。

在上述消息之前，已有多家科技大廠表明力挺RISC-V，包含三星(Samsung)、NVIDIA、威騰(Western Digital, WD)等，對此業(yè)界已有零星關(guān)注，但隨著芯片更貼近商業(yè)化運用，關(guān)注度開始提高。RISC-V指令集架構(gòu)為何？為何逐漸獲科技大廠與新創(chuàng)業(yè)者的支持？本文以下將對此剖析討論。

英特爾/安謀為專屬指令集架構(gòu)

RISC-V是一種開放原始程式碼的指令集架構(gòu)，其實過去業(yè)界很長一段時間僅稱為指令集(Instruction Set)，但或許為了湊成可縮寫的三個字母而加補上架構(gòu)(Architecture, A)一字。

指令集指的是一堆組合語言(芯片上最基本原始的語言)指令的集合，一套指令集是由少則數(shù)十個，多則上百個指令所集合成，若一顆微控制器、微處理芯片可執(zhí)行該套指令集，而另一顆也可支持執(zhí)行相同一套指令集，如此原則上軟件(軟件即是由指令搭組建構(gòu)成)即不需任何改寫，可自由在兩顆芯片間替換運用。

同理，芯片商推出新一代效能更佳的芯片，通常會采行與前一代相同的指令集，或完全相容但再加入新的指令，好確保諸多已開發(fā)的軟件不需要改寫而能相容執(zhí)行保障客戶過往的軟件開發(fā)投資、購買投資，且執(zhí)行的更快。

目前市售的芯片中，多數(shù)采英特爾或安謀(Arm)的指令集架構(gòu)，英特爾的指令集架構(gòu)一般稱為x86(過去為8086、80286、80386、80486等以86編號為結(jié)尾的系列芯片所用)、IA(Intel Architecture)、IA-32(1982年至2003年間為32位元)、EM64T(Extended Memory 64 Technology)或AMD64/x86-64/x64(64位元版以超微AMD率先主導)等。安謀則直接稱為Arm指令集架構(gòu)。

Intel與Arm的指令集架構(gòu)均屬業(yè)者自有專屬設(shè)計的專利架構(gòu)，須付費才能使用，Intel的ISA多要購買該公司銷售的CPU芯片才能取得；Arm的ISA則采間接銷售，芯片商欲采行其ISA須先支付一筆一次性的技術(shù)授權(quán)費，而后每生產(chǎn)一顆芯片均會被Arm收取權(quán)利金。

Intel的x86 ISA芯片在PC、工作站、伺服器、超級電腦等領(lǐng)域有壓倒性的主占，因此價格長期居高，系統(tǒng)商、終端消費者必須負擔其成本，雖有少數(shù)芯片商也能生產(chǎn)銷售x86 ISA芯片，但價格效能比或供貨上多不若Intel，且有諸多限制，如AMD雖可使用x86 ISA，但若之后該公司被購并，則x86 ISA專利使用權(quán)必須重談，或其他芯片商雖也產(chǎn)制x86相容芯片，但卻必須支付年專利使用費給IBM，以避開Intel可能的訴訟。

而Arm方面，Arm的ISA在行動裝置芯片領(lǐng)域有壓倒性市占，并持續(xù)擴展到各類嵌入式應用領(lǐng)域。Arm在授權(quán)上提供軟核與硬核形式的授權(quán)，軟核可取得指令集架構(gòu)，硬核則只能取得已用某一半導體制程技術(shù)實現(xiàn)成的晶圓電路。

Arm方面傾向提供硬核授權(quán)，好避免核心技術(shù)外泄，但部份重量級業(yè)者有獲得軟核授權(quán)，如高通(Qualcomm)，另外一般推測蘋果(Apple)、Samsung等也在其列。而根據(jù)GreenWave受訪表示，想取得軟核授權(quán)至少要1,500萬美元，且僅為時間性使用，到期必須重談授權(quán)。

由于一旦有諸多芯片或諸多軟件采行某一ISA，該ISA的技術(shù)生態(tài)日趨完整強健，則ISA架構(gòu)的擁有者日后被視為可輕松坐享利潤，芯片商(無ISA自主性的芯片商)、系統(tǒng)商、終端用戶均將受害。為此2010年學術(shù)與產(chǎn)業(yè)界共同發(fā)起成立RISC-V基金會，持續(xù)推行開放技術(shù)細節(jié)且免費技術(shù)授權(quán)的ISA。

開放且免費授權(quán)，從資訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)另一關(guān)鍵組件作業(yè)系統(tǒng)來看早已朝此模式發(fā)展，早期的作業(yè)系統(tǒng)是電腦系統(tǒng)商隨自家硬件而搭配開發(fā)成，并隨硬件銷售一同出貨，如IBM大型主機。之后IBM急于切入PC市場，采行微軟(Microsoft)的作業(yè)系統(tǒng)，之后開啟作業(yè)系統(tǒng)跨不同系統(tǒng)商的純軟件商業(yè)授權(quán)模式，但作業(yè)系統(tǒng)的程式碼仍由Microsoft專屬擁有，更之后Linux興起，程式碼開放且免費授權(quán)使用。

將此發(fā)展歷程對應到ISA，Intel的ISA是隨自家芯片一同出貨，Arm則是跨芯片商授權(quán)其ISA，但均為專屬封閉且收費，而RISC-V試圖仿效Linux，采開放且免費的方式發(fā)展。

RISC-V采BSD授權(quán)

RISC-V雖采開放免費路線，但某些地方不同于其他開放原始程式碼的硅智財專案，例如它有自己的硬件描述語言(HDL)，即Chisel(Constructing Hardware In a Scala Embedded Language)，從全寫可以了解它是以Scala語言為基礎(chǔ)所發(fā)展成，Chisel也采開放原碼政策。相對于此一般普遍使用的硬件描述語言多采Verilog，不過有工具可以將Chisel開發(fā)出的電路轉(zhuǎn)換成Verilog格式，而后再修改其設(shè)計，或與其他電路整合。

RISC-V在授權(quán)上采BSD授權(quán)，而不是開放原碼軟件常見的GPL授權(quán)，若采GPL授權(quán)，則延伸開發(fā)的成果也必須采行GPL授權(quán)，必須開放其原始程式碼(大陸稱原碼、源代碼)，但許多業(yè)者希望保有競爭優(yōu)勢，將自有開發(fā)的程式視為商業(yè)機密而不愿開放，事實上Android也是因此對Linux核心進行改寫，使采行Android作業(yè)系統(tǒng)的硬件商不需要開放其驅(qū)動程式，保有其機密，方獲得眾多手機業(yè)者支持Android。

但BSD不同，BSD允許使用其開放成果，但延伸發(fā)展成的軟件不需要開放，明顯較GPL授權(quán)大方。至于在編譯器、相關(guān)軟件支持上，則已有g(shù)cc/glibc/GDB、LLVM/Clang、Linux、Yocto、Verification Suite等軟件。

RISC-V立意雖佳，但若實際開發(fā)出的芯片表現(xiàn)不佳，則依然難與商業(yè)性ISA抗衡，對此RISC-V的主導學術(shù)單位加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)開發(fā)了一顆名為火箭(Rocket)的RISC-V芯片，并刻意選擇與相同制程(臺積電28nm)技術(shù)實現(xiàn)的Arm核心(Cortex-A5)進行比較(圖2)。

圖2Rocket核心與Cortex-A5技術(shù)特性比較。

首先比較時脈頻率，兩者均可達1GHz以上，視為平手；在效能上RISC-V Rocket可達1.72DMIPS/MHz，約較Arm Cortex-A5高出一成；在排除快取記憶體外，執(zhí)行核心所占的晶圓面積上，RISC-V Rocket只要0.14平方公厘，只有Cortex-A5的一半，即便兩者均含了16KB容量的快取記憶體，依然只有A5的七成；而以每平方公厘、每赫茲所能產(chǎn)生的效能Rocket也達A5的1.5倍；在功耗表現(xiàn)上Rocket則是A5的四成左右。

不過此一比較仍稍有立足點的不同，Rocket采行64位元架構(gòu)，但RISC-V亦有32位元架構(gòu)版，若兩者均采行32位元版或均采行64位元版，或許可以更公允比較。除Rocket外，后續(xù)也有ORCA、PULPino等8、9個實作核心，前述的GAP8即是根基于PULPino所發(fā)展成。

RISC-V除了有MCU/CPU核心技術(shù)外，也積極發(fā)展核心所需的連接介面電路技術(shù)，即TileLink，理由是Arm在核心技術(shù)外也布局核心間或核心與周邊間所需的介面技術(shù)與協(xié)定，因而有AMBA協(xié)定、ASB匯流排、APB匯流排等，后續(xù)也擴展延伸發(fā)展出AHB、ATB、AXI、ACE、CHI等介面。

RISC-V非第一例開放專案

RISC-V雖是近期漸受關(guān)注的開放硬件專案，但卻不是唯一或最早的專案，此前已有OpenRISC、OpenSPARC等，不過這類專案在發(fā)起后遭遇一些發(fā)展限制，OpenRISC架構(gòu)老舊、發(fā)展緩慢、64位元版的架構(gòu)不夠成熟，OpenSPARC則來自逐漸喪失價格效能比優(yōu)勢的UltraSAPRC，開放后的社群并不活躍(圖3)。

圖3 SPARC V8、OpenRISC、RISC-V三者特性比較，SPARC v9的64位元定址為專屬技術(shù)，沒有開放。

另外有些專案則過于學術(shù)，理論功效上可運作，但在落實成實際電路時，則不易提升效能、減少功耗、減少晶圓面積等，或有的專案不易導入現(xiàn)行其他ISA已具備的軟件資產(chǎn)(驅(qū)動程式、范例程式、應用程式等)，重新編譯與改寫具困難性。

上述這些，RISC-V成立之初已斟酌考慮，從零開始的新架構(gòu)規(guī)劃定義，必須能貼近商業(yè)化落實，也方便導引現(xiàn)行其他ISA的軟件資產(chǎn)，所以成立之初已有多家半導體業(yè)界大廠共同參與，并確保社群發(fā)展能量。

值得一提的是，專屬架構(gòu)的芯片商近年來態(tài)度轉(zhuǎn)變，不再只銷售完整芯片，也開始仿效Arm的商業(yè)模式，允許授權(quán)芯片核心技術(shù)供人再開發(fā)運用，如Intel于2008年與臺積電合作開放x86核心授權(quán)，允許其他業(yè)者以x86架構(gòu)發(fā)展自有芯片，或NVIDIA于2013年開放其GPU核心授權(quán)等，不過這類的授權(quán)，其ISA專利與后續(xù)發(fā)展走向仍是由芯片商主導，而非共同參與制訂，此一衍生業(yè)務(wù)至今未大幅開展。

IoT/AI均適用RISC-V

一套ISA技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)可以成功，必須在技術(shù)特性、規(guī)模用量方面取得優(yōu)勢，如x86 ISA由于價格效能比最佳，且自PC獲得大規(guī)模采用，而Arm則以低功耗、每瓦效能比佳，因而在手機等行動裝置、嵌入式裝置上獲得大規(guī)模采用。因此RISC-V也盡可能讓ISA的適用性最大化，因此同時制訂32位元、64位元架構(gòu)，定址方式也廣泛支持16/32/64/128位元定址。

而在實際發(fā)展上，確實各類型應用均在發(fā)展中，前述的GreenWave發(fā)展的GAP8芯片即是鎖定物聯(lián)網(wǎng)應用，使用臺積電55LP(Low-Power)制程，目標市場與Arm Cortex-M0~M7近同。而WD投資的Esperanto Tech公司，則是使用RISC-V發(fā)展人工智慧(AI)用芯片，以64位元架構(gòu)為主，發(fā)展16個核心的ET-Maxion與4,096個核心的ET-Minion，預計使用臺積電7納米制程。

此外FPGA芯片商MicroSemi也提出RV32IM的RISC-V軟核技術(shù)，使芯片開發(fā)者初期用FPGA芯片評估與模擬設(shè)計后，日后若想投片成商業(yè)化量產(chǎn)芯片，可避免核心授權(quán)的成本問題，過去若采Arm核心發(fā)展，則有授權(quán)費、權(quán)利金等顧慮。

另外也有業(yè)者試圖以RISC-V架構(gòu)但采行與Arm相同的硅智財授權(quán)模式，如前述的SiFive與Andes，SiFive推出32位元(RV32)的E31核心與64位元(RV64)的E51核心，均采28納米制程。前者鎖定Cortex-M3、M4類同的應用市場，后者與Cortex-A53近似定位。不過E31、E51不支持Linux，然Linux在嵌入式領(lǐng)域受廣泛運用，為此SiFive也提出U54/U54-MC(RV64GC)核心，可支持Linux(圖4)。

圖4SiFive推出支持Linux的RISC-V核心U54-MC。

而Andes方面則提出AndeStar v5架構(gòu)(即根基于RISC-V)，包含32位元的N25核心與64位元的NX25核心，同樣均采28納米HPC制程，并強調(diào)只需要極少的邏輯閘就可實現(xiàn)，N25只需3萬個邏輯閘，NX25則為5萬個。邏輯閘用量愈少，所需要晶圓面積也愈少，意味著可用更低廉的成本實現(xiàn)與生產(chǎn)芯片，CEVA亦有僅使用2萬個不到的邏輯閘便實現(xiàn)的32位元RISC-V(RV32IMC)，并設(shè)定用于藍牙、Wi-Fi收發(fā)器芯片內(nèi)。

此外，雖是基于RISC-V，但Andes仍對其進行各種強化，例如運用自定指令使程式碼的占量減少10%，如此可降低程式記憶體需求；或加速中斷發(fā)生時的即時處理速度，更適合即時性應用；或?qū)Χ询B進行保護，可防止運作失常或減少資安問題。

RISC-V會員陣容堅強

有關(guān)大廠采行RISC-V已有諸多報導，在此僅快速帶過，如NVIDIA的GeForce繪圖處理器(GPU)內(nèi)有鷹(Fast Logic CONtroller, Falcon)控制器，新款的Falcon將采行RISC-V架構(gòu)，Samsung也將在自家行動芯片內(nèi)使用，WD也將在多款芯片內(nèi)使用。上述業(yè)者之所以大力擁抱RISC-V原因無它，這些業(yè)者均大量采行或銷售芯片，過往采Arm核心需支付龐大的技術(shù)使用費，若改行RISC-V將可省下大筆花費。

政府方面則有美國DARPA資助商業(yè)公司發(fā)展基于RISC-V架構(gòu)用的航太設(shè)備芯片，印度政府也大力擁抱RISC-V；學術(shù)單位則有35所大學加入，其中不乏名校，如麻省理工學院、普林斯頓大學等(圖5)。

圖5RISC-V基金會成員，會員分成兩個層次：Platinum或Gold, Silver & Auditor Members

商業(yè)模式轉(zhuǎn)變成最大隱憂

RISC-V目前為止看似順利發(fā)展，但其實已有若干隱憂顯現(xiàn)，一是RISC-V允許采行者自行延伸擴充定義指令，若各行其是將使軟件相容性產(chǎn)生分裂，而使已居落后位置的軟件生態(tài)系統(tǒng)更難凝聚力量發(fā)展。

另一是新創(chuàng)業(yè)者的商業(yè)模式轉(zhuǎn)變，以前述的SiFive為例，原期望的商業(yè)模式為，基于免費的RISC-V架構(gòu)，接受客戶的客制委托設(shè)計，并收取設(shè)計費用，但之后轉(zhuǎn)變成對已開發(fā)實現(xiàn)的核心收取費用，如E31收取30萬美元，E51收取60萬美元(Andes的64位元版則宣稱不到100萬美元)。

SiFive的授權(quán)仍是比Arm大方，30萬、60萬美元為一次性費用，Arm則是除一次性費用外也對每顆芯片收取權(quán)利金，且RISC-V仍有修改、換用的自由彈性，然SiFive轉(zhuǎn)向與Arm雷同的路線，也讓人擔心是否已有違RISC-V的推行初衷。

此外，過往開放原碼軟件的發(fā)展，除了遭遇社群不活躍的困阻外，后續(xù)發(fā)展路線的爭議，或分道揚鑣發(fā)展，或仍專注發(fā)展但路線逐漸偏離初衷或商業(yè)價值等均時有所聞，這些也都可能發(fā)生在RISC-V專案上。

最后，臺廠對于RISC-V亦抱持高度興趣，視此為新發(fā)展機會，如TSMC可獲得更多新創(chuàng)芯片業(yè)者的投單外；Andes也不固守自有專屬核心架構(gòu)而擁抱RISC-V，即便架構(gòu)不相容亦不放棄新機；聯(lián)發(fā)科技(MediaTek, MTK)同樣加入RSIC-V基金會；芯片設(shè)計服務(wù)商智原科技(Faraday)也對新發(fā)展抱持期待。