全面地了解RISC-V和ARM各方面特點

RISC-V和ARM是近年來備受關(guān)注的兩種處理器架構(gòu)。RISC-V是一種基于精簡指令集計算（RISC）原理的開源指令集架構(gòu)（ISA），而ARM則是一種專有ISA，長期以來在嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)地位。

本文將詳細探討RISC-V和ARM的歷史、架構(gòu)特征、性能、功耗、生態(tài)系統(tǒng)和未來前景等，以更全面地了解RISC-V和ARM在各個方面的特點。

01、什么是 ISA（指令集架構(gòu)）？

每個處理器功能的核心在于其指令集架構(gòu) （ISA），這規(guī)定了處理器可以理解和執(zhí)行的指令集。它充當(dāng)硬件和軟件之間的基本橋梁，決定了處理器的功能和性能。ISA 的選擇會直接影響軟件的開發(fā)方式，并對處理器的效率、兼容性和靈活性產(chǎn)生長期的影響。

ISA 大致可分為兩種類型：開放式和封閉式。封閉式 ISA，如 ARM，是專有的，并由特定公司嚴(yán)格控制，提供的可靠性和兼容性是既定的，并且限制定制。相反，以 RISC-V 為代表的開放式 ISA 是社區(qū)驅(qū)動的，在定制方面提供了更大的靈活性，能夠促進創(chuàng)新并適應(yīng)特定需求。

RISC-V和ARM之間的比較主要圍繞它們所采用的不同ISA，每種 ISA 都有各自不同的優(yōu)勢和方法來滿足不斷變化的計算需求。

02、RISC-V 與 ARM：背景和歷史

ARM

歷史上x86架構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位，推動了英特爾等巨頭的發(fā)展，但隨著ARM的出現(xiàn)，故事開啟了新的篇章。

ARM 起源于 Acorn Computers，這家英國公司在 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)了 Acorn RISC 機器架構(gòu)。ARM 架構(gòu)最初設(shè)計用于 Acorn 的個人計算機，重點關(guān)注功效和簡單性。1990 年，Acorn Computers、Apple 和 VLSI Technology 成立了一家名為 Advanced RISC Machines Ltd. 的合資企業(yè)，后來演變?yōu)?ARM Holdings。

第一個 ARM 處理器 ARM1 于 1985 年推出，隨后于1986年推出了ARM2，隨著1993 年蘋果公司的Newton PDA（Newton personal digital assistant）選擇了 ARM610 處理器，ARM 架構(gòu)開始逐漸出現(xiàn)在大眾視野當(dāng)中，這也標(biāo)志著 ARM 在移動和嵌入式系統(tǒng)市場的主導(dǎo)地位的開始。

多年來，ARM 開發(fā)了多個處理器系列，每個系列都針對特定的細分市場和性能要求。一些 有代表性的包括用于高性能應(yīng)用的 Cortex-A 系列、用于實時系統(tǒng)的 Cortex-R 系列以及用于微控制器和低功耗設(shè)備的 Cortex-M 系列。

ARM的成功可以歸功于其創(chuàng)新的許可模式，該模式允許半導(dǎo)體公司授權(quán)ARM的IP，并根據(jù)他們的特定需求進行定制。這種靈活性使得包括AMD等行業(yè)巨頭在內(nèi)的多家公司能夠設(shè)計和制造基于ARM的CPU和GPU，以優(yōu)化不同應(yīng)用。這催生了基于ARM的處理器和設(shè)備的龐大生態(tài)系統(tǒng)，截至目前，ARM芯片的出貨量已超過1800億顆，每年大約有300億顆ARM芯片出貨。

ARM 架構(gòu)已成為移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)事實上的標(biāo)準(zhǔn)，蘋果、三星和高通等大公司的產(chǎn)品都依賴 ARM 處理器。

RISC-V

盡管 ARM 在市場上取得了顯著的成功，但它是一種專有架構(gòu)，需要支付許可費用，并在定制方面受到一定的限制。這種專有性質(zhì)阻礙了小型企業(yè)、初創(chuàng)公司以及一些研究人員的使用和開發(fā)。RISC-V提供了一種開源的替代方案。

RISC-V 起源于加州大學(xué)伯克利分校計算機科學(xué)系。該項目始于 2010 年，是由 Krste Asanovi? 教授、David Patterson 教授及其團隊領(lǐng)導(dǎo)的一項研究工作。2011 年發(fā)布了第一個 RISC-V 規(guī)范。

2015 年，RISC-V 國際組織成立，旨在促進 RISC-V ISA 的采用和標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)前該組織擁有 200 多名成員，其中包括谷歌、英偉達和西部數(shù)據(jù)等主要科技公司。RISC-V在各個行業(yè)迅速得到采用，多家公司推出了基于 RISC-V 的處理器和片上系統(tǒng) （SoC）。

RISC-V 歷史上的關(guān)鍵里程碑之一是 2017 年發(fā)布的 RISC-V 特權(quán)架構(gòu)規(guī)范，它定義了硬件和操作系統(tǒng)之間的接口。該規(guī)范推動了更復(fù)雜的 RISC-V 處理器的開發(fā)，并促進了 Linux 等操作系統(tǒng)向 RISC-V 平臺的移植。

另一個重要的里程碑是 2018 年發(fā)布的首款商用 RISC-V 處理器 SiFive Freedom U540。該處理器展示了 RISC-V 在商業(yè)應(yīng)用中的可行性，為業(yè)界進一步采用該架構(gòu)鋪平了道路。

03、RISC-V 與 ARM：架構(gòu)

RISC-V

RISC-V 架構(gòu)框圖

RISC-V架構(gòu)基于RISC原則，強調(diào)采用小型、簡單且高效的指令集。

RISC-V 的關(guān)鍵架構(gòu)特征包括加載存儲架構(gòu)、固定長度的 32 位指令格式和少量通用寄存器。RISC-V支持各種整數(shù)指令集擴展，例如RV32I（32位）、RV64I（64位）和RV128I（128位）。

以下是 RISC-V 架構(gòu)的一些獨特功能：

模塊化和可擴展性：RISC-V 的特征之一是其模塊化和可擴展性。ISA 旨在通過自定義指令和協(xié)處理器輕松擴展，從而實現(xiàn)定制需求。這種靈活性是通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)的，基本 ISA 可以與可選的標(biāo)準(zhǔn)擴展相結(jié)合。

壓縮指令集：相對于ARM的Thumb指令集，RISC-V還支持RV32C（或RV64C）的壓縮指令集擴展，它提供可以與標(biāo)準(zhǔn)32位指令混合的16位壓縮指令。此功能有助于減少代碼大小并提高能效，使RISC-V在嵌入式系統(tǒng)和低功耗應(yīng)用方面特別具有優(yōu)勢。

權(quán)限級別和虛擬內(nèi)存：RISC-V 架構(gòu)的另一個重要方面是它對權(quán)限級別和虛擬內(nèi)存的支持。RISC-V 特權(quán)架構(gòu)規(guī)范定義了三個特權(quán)級別：機器模式（M 模式）、管理員模式（S 模式）和用戶模式（U 模式）。這些特權(quán)級別提供了一種隔離操作系統(tǒng)內(nèi)核、管理程序和用戶應(yīng)用程序的機制，從而確保了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。RISC-V還支持基于多級頁表方案的虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，從而實現(xiàn)高效的內(nèi)存管理和保護。

ARM

ARM 架構(gòu)框圖

ARM 架構(gòu)也基于 RISC 原則。ARM 的關(guān)鍵架構(gòu)特征包括負載存儲架構(gòu)、固定長度 32 位和可變長度 Thumb 指令的混合以及大量通用寄存器。內(nèi)存系統(tǒng)采用雙端字節(jié)排序，使 ARM 處理器能夠在硬件級別無縫處理和傳輸兩種端格式的數(shù)據(jù)。

ARM 處理器分為多個系列，每個系列都針對特定的性能和功耗要求。使用最廣泛的 ARM 處理器系列是 Cortex-A、Cortex-R 和 Cortex-M 系列。Cortex-A 系列專為高性能應(yīng)用而設(shè)計，例如智能手機、平板電腦和服務(wù)器，支持亂序執(zhí)行、超標(biāo)量管道和硬件虛擬化等高級功能。Cortex-R 系列針對實時系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提供快速中斷響應(yīng)時間和確定性行為，通常用于汽車、工業(yè)和安全關(guān)鍵型應(yīng)用。Cortex-M 系列專為微控制器和低功耗設(shè)備量身定制，重點關(guān)注能源效率和易用性。

Thumb 指令集：Thumb 指令集提供 16 位壓縮指令以提高代碼密度和能源效率。ARM 引入了 Thumb 指令集，作為傳統(tǒng) 32 位 ARM 指令的可選 16 位擴展。此功能可以減少代碼大小，同時保障性能，使其適合嵌入式系統(tǒng)等內(nèi)存受限的設(shè)備。

內(nèi)存管理和保護：ARM 處理器支持各種級別的內(nèi)存管理和保護，包括用于簡單系統(tǒng)的內(nèi)存保護單元 （MPU） 和用于具有虛擬內(nèi)存支持的更復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)存管理單元 （MMU）。2011 年推出的 ARMv8-A 架構(gòu)增加了對 64 位地址空間的支持，它在現(xiàn)有的32位ARM和Thumb指令集之外提供了一個新的64位指令集。

可選增強功能：除了基本 ISA 之外，ARM 處理器還可以包括可選擴展，例如用于多媒體和信號處理任務(wù)的 NEON SIMD（單指令、多數(shù)據(jù)），以及用于硬件加速加密和解密的密碼學(xué)，這讓 ARM 處理器在能夠高效處理各種工作負載的同時保持低功耗和較小的芯片占用空間。

總體而言，ARM通過其專有技術(shù)和完善的生態(tài)系統(tǒng)成為行業(yè)巨頭，服務(wù)于移動、嵌入式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心等多種行業(yè)。RISC-V以開源靈活性和適應(yīng)性為特點，吸引了尋求定制解決方案的用戶。兩種架構(gòu)各有優(yōu)點，具體取決于用戶的實際需求。

04、RISC-V 與 ARM：性能

RISC-V 和 ARM 架構(gòu)之間的比較是多方面的，涉及一系列影響性能的因素。這里列舉了 P550 與 Cortex-A75 以及 BeagleV 與 Raspberry Pi的對比。

ARM Cortex-A76 與 SiFive P670 性能對比

如圖所示，ARM 的 Cortex-A78 在峰值單線程性能方面略勝于 SiFive 的 P670（RISC-V），但 P670 的計算密度卻是它的兩倍。因此，考慮到 SiFive 的 P670 處理器的物理尺寸只有競爭對手的一半，其峰值單線程性能可與 Cortex-A78 相媲美。

值得注意的是，Cortex-A78是在2020年12月通過Vivo X60和X60 Pro推出的，而P670是在2022年11月1日發(fā)布的，在研發(fā)方面存在近兩年的差距。ARM 最新的處理器現(xiàn)在在 ARMv9 ISA 上運行，這比 Cortex-A78 的 ARMv8 有了重大改進。ARMv9 處理器的性能提高了約 30%，能效提高了 50%。

就純粹性能而言，ARM處理器保持領(lǐng)先地位。然而，SiFive 的 P670 的計算密度是 Cortex-A78 的兩倍，使 RISC-V 處理器在可穿戴技術(shù)中占據(jù)有利地位。

在RISC-V與ARM的性能對比中，ARM的迭代速度、完善的生態(tài)系統(tǒng)以及廣泛的選擇使其具有顯著的性能優(yōu)勢。然而，RISC-V 的模塊化特性和定制潛力對特定用例來說更具吸引力。RISC-V 的開發(fā)者還需要努力縮小與 ARM 的性能差距來獲得更高的競爭優(yōu)勢。

05、RISC-V 與 ARM：功耗

由于這兩種架構(gòu)都采用RISC理念，因此有必要深入研究區(qū)分其功耗性能的具體數(shù)據(jù)和可測量因素。

RISC-V

功耗是處理器設(shè)計的一個重要方面，特別是對于嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和電池供電應(yīng)用而言。RISC-V 的架構(gòu)強調(diào)簡單性和模塊化，與更復(fù)雜的處理器架構(gòu)相比，這有助于提高能效。RISC-V ISA 處理器物理占用空間更小、功耗低更節(jié)能。

RISC-V 固定長度的32位指令格式簡化了解碼并降低了控制邏輯復(fù)雜度，從而降低了功耗?？蛇x的RV32C（或RV64C）壓縮指令集擴展提供16位壓縮指令，可以通過降低指令讀取和解碼功率來幫助減少代碼大小并提高能源效率。此外，RISC-V 的模塊化設(shè)計可以根據(jù)特定應(yīng)用要求定制一些僅包含必要功能的處理器，通過減少未使用的硬件功能來降低功耗。

例如針對邊緣 AI 和機器學(xué)習(xí)應(yīng)用的 GreenWaves GAP8 處理器。GAP8 處理器具有 8 個 RISC-V 內(nèi)核集群和一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （CNN） 專用硬件加速器，可為 AI 工作負載實現(xiàn)高達 200 GOPS/W（每瓦每秒千兆次運算）的功效。

ARM

ARM 的負載存儲架構(gòu)以及固定長度 32 位和可變長度 Thumb 指令的混合使用簡化了解碼并降低了控制邏輯復(fù)雜性，從而降低了功耗。此外，ARM 處理器通常包含電源管理功能，例如動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié) （DVFS），它允許處理器根據(jù)工作負載需求調(diào)整其工作頻率和電壓，從而進一步提高能源效率。

ARM 的處理器系列在設(shè)計時考慮了不同的功耗和性能目標(biāo)。例如，Cortex-M 系列針對微控制器和低功耗設(shè)備進行了優(yōu)化，重點關(guān)注能效和易用性。Cortex-M4 處理器的運行頻率高達 240 MHz，性能達到 1.25 DMIPS/MHz，包括硬件浮點單元 （FPU） 和 DSP（數(shù)字信號處理）擴展，適用于低功耗的信號處理和控制應(yīng)用。在高性能領(lǐng)域，Cortex-A76 等 ARM 處理器實現(xiàn)了出色的每瓦性能比，是智能手機和筆記本電腦等功率受限的高性能設(shè)備的理想選擇。Cortex-A76 處理器的運行頻率高達 3 GHz，可提供 4.0 DMIPS/MHz 的峰值性能，同時保持低功耗。

總體而言，ARM 對功率效率的關(guān)注，加上其廣泛的生態(tài)系統(tǒng)和處理器系列，使其在電源效率方面具有明顯的優(yōu)勢。盡管 RISC-V 由于其定制潛力而前景光明，但其開放性需要投入更多的時間和資源才能充分利用其節(jié)能功能。

06RISC-V 與 ARM：生態(tài)系統(tǒng)和支持

作為一個開源架構(gòu)，RISC-V吸引了一個由開發(fā)者、初創(chuàng)公司和研究人員組成的多元化社區(qū)，RISC-V的生態(tài)系統(tǒng)相對年輕但發(fā)展迅速。雖然它的規(guī)?？赡苓€無法與 ARM 相比，但其開放性促進了協(xié)作、定制和創(chuàng)新。而ARM已經(jīng)擁有成熟且廣闊的生態(tài)系統(tǒng)。其許可模式催生了大量基于 ARM 的產(chǎn)品。

由于RISC-V誕生時間太短，相關(guān)的編譯器、開發(fā)工具和軟件開發(fā)環(huán)境（IDE）以及其它生態(tài)要素還在發(fā)展。目前RISC-V具有全套開源免費的編譯器、開發(fā)工具和軟件開發(fā)環(huán)境，這是RISC-V的巨大優(yōu)勢，但是開源版本相比ARM的商用編譯器和IDE而言，還頗有差距。RISC-V必須依靠強有力的商業(yè)玩家來長期支持和推進方能得到持續(xù)發(fā)展。

RISC-V

在硬件支持方面，多家半導(dǎo)體公司已經(jīng)開發(fā)了RISC-V處理器和片上系統(tǒng)（SoC），包括SiFive、Andes Technology和Microchip。這些公司提供從低功耗微控制器到高性能應(yīng)用處理器各種基于 RISC-V 的產(chǎn)品。此外，RISC-V 的開源特性催生了眾多開源處理器設(shè)計的開發(fā)，例如 PULPino 和 RISC-V BOOM 無序超標(biāo)量處理器。隨著亞馬遜和其他科技巨頭探索 RISC-V 的功能，CPU 架構(gòu)的格局正在發(fā)生顯著的轉(zhuǎn)變，開源硬件的地位逐漸提高。

在軟件方面，RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)支持各種操作系統(tǒng)，包括 Linux、FreeBSD 以及 FreeRTOS 和 Zephyr 等實時操作系統(tǒng) （RTOS）。

ARM

高通、三星和蘋果等主要半導(dǎo)體公司都開發(fā)了自己的基于 ARM 的處理器，以滿足不同的細分市場和性能要求。這些處理器廣泛用于各種設(shè)備，包括智能手機、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。在軟件方面，ARM 生態(tài)系統(tǒng)支持眾多操作系統(tǒng)，例如 Linux、Android、iOS 和 Windows，以及實時操作系統(tǒng) （RTOS），例如 FreeRTOS 和 VxWorks。

06、RISC-V對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會帶來哪些影響？

從長遠來看，RISC-V對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生劃時代的意義，主要體現(xiàn)在以下方面：

減少對國外技術(shù)的依賴。RISC-V已經(jīng)逐漸成為主流架構(gòu)和主流生態(tài)。通過RISC-V可以減少對外國技術(shù)的依賴，在半導(dǎo)體行業(yè)更加自給自足。

RISC-V可以推動創(chuàng)新和差異化。RISC-V 的開源性質(zhì)也鼓勵創(chuàng)新，通過定制RISC-V內(nèi)核能夠滿足特定需求，基于RISC-V開發(fā)新產(chǎn)品和技術(shù)也會相對容易，通常比基于專有 ISA 的芯片更高效。

RISC-V可以明顯降低芯片研發(fā)成本。RISC-V的產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善，從處理器內(nèi)核到硬件設(shè)計、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、基準(zhǔn)測試以及解決方案，全產(chǎn)業(yè)鏈具備完整性，使得行業(yè)可以均攤一切成本。

除此之外，RISC-V的使用還可以幫助國內(nèi)企業(yè)為其芯片開發(fā)新的市場和應(yīng)用。例如，RISC-V 芯片非常適合用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣計算和人工智能應(yīng)用，這些市場正在快速增長。

根據(jù)Semico Research的預(yù)測，到2025年，全球RISC-V CPU內(nèi)核的出貨量累計將達到約800億顆，復(fù)合年增長率高達114.9%，在全球CPU內(nèi)核出貨量當(dāng)中的占比將超過14%。另有研究數(shù)據(jù)顯示，基于RISC-V架構(gòu)的AI芯片市場到2027年將達到2910億美元，復(fù)合年增長率73.6%；在通信類AI SoC市場，RISC-V從2019年到2027年間將保持21.2%的復(fù)合年增長率；在數(shù)據(jù)中心市場，2021到2025年RISC-V CPU核市場的復(fù)合年增長率將高達115%。

目前，國內(nèi)在采用RISC-V架構(gòu)方面已經(jīng)取得顯著進展，這對ARM在中國芯片市場的主導(dǎo)地位造成了一定的沖擊。隨著RISC-V在全球范圍內(nèi)引起越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，將逐漸對ARM構(gòu)成競爭威脅。期待著未來RISC-V與ARM之間的競爭能夠推動整個芯片行業(yè)朝著更加開放、創(chuàng)新和多元化的方向發(fā)展。

審核編輯：黃飛