探寻后摩尔时代 | RISC-V：有望改变未来芯片产业格局
编者按：过去的半个多世纪，半导体行业一直遵循摩尔定律的轨迹高速发展，如今单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求，半导体行业也逐步进入了“后摩尔时代”。后摩尔时代的来临，给中国集成电路产业发展带来新的发展机会，《中国电子报》推出“探寻后摩尔时代集成电路的颠覆性技术”系列报道，对集成电路潜在颠覆性技术进行梳理，探讨每一项技术的发展现状、产业难题、未来前景。敬请关注。
”这些年，我们目睹了开源对于软件产业带来的巨大变革，中国科学院院士梅宏说：“目前几乎没有不涉及、不从开源中获益的软件。”后续，开源之火会不会彻彻底底改变未来芯片产业呢？答案正在变得清晰。
目前开源指令集架构RISC-V正赢得越来越多的支持者，成为后摩尔时代深刻影响芯片产业的重要变量。就像芯来科技创始人兼CEO胡振波在接受《中国电子报》记者采访时所言：“以RISC-V为代表的开放架构指令集热潮，在世界范围内以一种领域标准的形式，为处理器领域的技术创新以及半导体产业的生态带来了前所未有的良机。”
赛迪顾问预测，到2025年全球市场将需要192亿颗RISC-V CPU内核。而Semico Research预测更为乐观，预计到2025年，基于RISC-V架构的CPU出货量将超过600亿个。投资机构ARK Invest预测，到2030年Arm和RISC-V可能成为新的处理器标准，在云业务领域取代英特尔x86架构，Arm+RISC-V的组合将占据服务器市场份额的71％。
RISC-V颠覆x86与Arm模式
在创立芯来科技之前，胡振波在Synopsys（新思科技）和Marvell（美满电子科技）等公司任职，有8年CPU和超过10年的ASIC设计与验证经历，除了技术上的积累，胡振波说这些年最大的心得是做CPU其实不是技术的问题而是生态的问题。因为技术的问题通过努力可以弥补，但是生态的问题，在x86等封闭架构下，其他芯片从业者要想做CPU，基本上是入无人绝境。前英特尔公司副总裁、首任英特尔中国研究院院长方之熙在英特尔（美国）任职二十余年，经历了芯片产业跨越三个计算平台的过程，他也曾在接受《中国电子报》记者采访时表达了这样的观点：“做芯片不仅仅是技术的问题，最难的其实是商业、是生态的问题。”
谈及CPU与计算生态，就需要谈及CPU指令集。“处理器指令集是软硬件的接口，是核心基础软硬件生态系统的基石。”中国科学院计算所研究员包云岗此前表示，指令集的重要性体现在生态建设，指令集向上承载的是整个软件生态，向下则规范了以处理器芯片为代表的整个硬件生态。
“虽然指令集并非复杂的黑科技，但指令集的真正价值在于围绕其建设的软件生态和指令集的发展权。”胡振波说。
“软件与硬件一起才能形成计算产业，而指令集是软件与硬件交互的规范标准。”中国科学院软件所所长赵琛在接受《中国电子报》记者采访时说。
在RISC-V诞生之前，市场上主要有Arm、MIPS、SPARC、x86等指令集。
其中x86指令集由英特尔在1978年推出；MIPS于1981年出现，由MIPS科技公司开发并授权；Arm则由Arm公司推出，目前全世界超过95%的智能手机和平板电脑采用Arm架构。
2010年，加州大学伯克利分校的一研究团队启动新项目，需选择一种处理器指令集，在分析了Arm、MIPS、X86等指令集后，发现它们不仅设计复杂，而且存在知识产权问题。于是该研究团队用了3个月的时间，设计出一套全新的指令集，能满足各种尺寸的处理器，支持从FPGA到ASIC到未来器件等各种实现，能支持大量的定制与加速功能，能和现有软件栈与编程语言很好适配，而且很稳定。其后该团队将新的指令集命名为RISC-V，并将指令集彻底开放，使用BSD License开源协议。
2015年RISC-V基金会成立，RISC-V以基金会方式运作，吸引了大量厂商加盟，包括高通、英伟达、NXP、三星、Microsemi、美光、华为海思、联发科、谷歌、IBM、西数、希捷、Mentor Graphics、Express Logic等，RISC-V在全球范围内迅猛发展，目前RISC-V基金会成员近1000多名遍布全球70多个国家。为了进一步保持中立性，2020年3月RISC-V基金会将总部迁到瑞士。
RISC-V开源模式改变了传统的封闭性X86和授权模式的ARM的模式，为半导体行业带来经营模式和架构创新的新机会。赛昉科技联合创始人兼CEO徐滔对《中国电子报》记者表示：“RISC-V的典型优势是低成本、模块化和定制化。RISC-V指令集的开源特性使用户可以免费开发自己的处理器，让芯片设计更平民化，降低芯片设计的门槛，让更多的人和公司能拥有自主的芯片。其开源特性一方面大大降低了成本，因为可以免费使用指令集；另一方面允许任何用户自由修改，从而能满足量身定制的需求。”
除了降低成本，可以复用IP、缩短开发时间外，赵琛认为RISC-V开源指令集的好处还在于带来了强劲的创新力，实现大众化、持续化的创新演进，开源软件的蓬勃发展就是最好的例证。
RISC-V作为开源的架构，其商业模式颠覆了x86/Arm的做法，其模块化架构给DSA提供了创新平台，给予业界创新的自由，具有顽强的生命力。
最近有媒体爆出英特尔或将以20亿美元收购RISC-V创业公司SiFive的消息，这意味着RISC-V的燎原之势已经让芯片巨头关注到它的重要性。
能否三分天下还待时日
也有观点称RISC-V诞生已十年之久，看起来前景美好，但到目前为止，基于RISC-V的创业还没有出现比较有影响力的半导体企业，而大企业虽然支持RISC-V但也仅仅是将其作为备份来发展。
“RISC-V大发展需要一个契机，需要等待新计算模式的确立。事实上包括X86、Arm都经超过三四十年的等待，才迎来了x-86在服务器市场、Arm在移动市场成为事实标准 ‘一统江湖’的这一天。计算产业的发展从主机时代、PC时代、互联网时代、移动互联网时代，到今天的智能物联网时代不断演进，目前智能物联网新计算模式并未完全确立。”赵琛表示。
方之熙曾表示，芯片产业领域有两个重要定律，除了大家熟悉的摩尔定律外，贝尔定理相对提及较少。贝尔定律提出，系统架构（CPU+OS）决定了运算平台，运算平台决定了应用软件生态。随着半导体技术的发展和应用市场增长的需求，每隔10～15年运算平台技术会发生一次重大演进，运算芯片的系统架构会随着应用场景及商业模式的变化而发生一次重大变革，伴随着其新的编程平台、网络接口和用户界面，会带来新的用户体验和新的商业机会。
“RISC-V发展最大的挑战是生态！生态！生态！” 徐滔表示，RISC-V流行是因为业界相信RISC-V生态会发展得很好。但是任何生态都是需要时间，RISC-V的生态依旧有待完善，需要时间和过程来培养开发者，适配应用，开发更多的应用。RISC-V的发展必须通过IP-先驱芯片-开发版-生态发展-大量芯片的过程。RISC-V从出现到今天发展的速度已经远远超过X86/ARM当年的速度。“行业普遍认为，RISC-V生态，三年时间完成了Arm生态10年的工作。” 徐滔说。
此前包云岗曾表示，经历十年发展，10岁的RISC-V也到了一个平台期，缺少标志性事件来展现RISC-V的能力上限。这涉及到多方面原因，其中很重要的一个原因是RISC-V指令集标准化工作在过去几年推进相对缓慢了。另外需要一些标志性的事件来展示RISC-V的上限，给业界以信心，这些标志性的事件可以是商业上出现一个数亿美元的投资案例，也包括从技术层出现三种标杆事件：一是用RISC-V研制一台超级计算机，进入Top500前十，甚至更高的排名；二是用RISC-V做服务器芯片，在一些头部企业得到规模应用，并呈现较好的效果；三是用RISC-V做一款手机芯片，解决手机生态问题，实现发货量达到百万级甚至千万级。
如果英特尔以20亿美元对SiFive的收购能达成，那么这应该称得上是重要得标志性事件。如果说RISC-V生态，三年时间已经完成了ARM生态10年的工作，那么接下来RISC-V的发展应该不需要经历x86与Arm那样的漫长等待。
不久前，中国工程院院士倪光南在2021RISC-V中国峰会上表示，未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一，从而在CPU领域形成Intel、Arm、RISC-V三分天下的格局。
胡振波认为，未来，x86、Arm、RISC-V三者将长期并存，发挥各自不同的优势。从开放生态、参与公司的情况看，RISC-V未来占据应用定义芯片的市场应该是水到渠成的事，随着最近几年越来越多的厂商选择RISC-V布局新产品，市场上将会出现各种标志性事件来促成RISC-V的产业新标准局面。特别是在国际形势的影响下，各国各地的自主可控需求将会进一步促进开放架构应用的进程。
“与其说三分天下，不如说三代天下！产业和市场空间不是简单地瓜分和替代存量，而是要迭代和创造新经济生态的增量。历史曾经预测并验证了ARM的移动互联网是X86的PC互联网10倍规模，坚信移动是新大陆并拿到船票者成长为新生态的巨头、而固守PC网思维的旧霸主只能把守传统X86数据中的的存量市场。未来AIoT市场将拥有更大的发展空间和全新的业态，新市场将是百倍以上的增长等待开创者，从封闭，到开放，到完全开源的架构与生态将被证明是必然的选择。”清华伯克利-帕特森RISC-V国际开源实验室开源生态负责人刘明对记者表示。
对于未来x86、Arm、RISC-V是否三分天下，赛迪顾问集成电路产业研究中心分析师李秧表达了不一样的观点：“尽管我们很看好RISC-V的未来，但RISC-V能否形成一些高性能的产品，形成自己强有力的生态，依然是可遇而不可求的，充满不确定性的。”李秧认为，后摩尔时代或许还会有一种全新的、一种新型的、一种开源的、更精简指令架构出现，代替RISC-V成为崛起新星，也有可能，所以未来这个是不是这三足鼎立不确定。
中国应以生态方式全链条推进
如果RISC-V能够三分天下，那么中国应该如何布局。谈及目前中国RISC-V的发展，中国软件行业协会嵌入式分会副理事长何小庆在接受采访时特别提及了不久前在上海举办的2021 RISC-V中国峰会的情况，超过1000多人的会场、数万人线上观看、100余场技术峰会，从一个维度看出RISC-V在中国的蓬勃态势。
不过业界也有观点认为，目前中国RISC-V创业团队都相对小而分散，几家大公司虽然支持RISC-V但也仅仅是将其作为备份来发展，中国对于RISC-V的重视程度也不够，在RISC -V基金会的参与度不高。在传出英特尔或将收购SiFive消息后，业内资深人士曾对《中国电子报》记者表示，或许RISC-V留给中国的机会窗口时间并不长，中国应该集中力量加快RISC-V企业的做强。
胡振波认为应该高度重视RISC-V这个指令集，国家从整体布局和顶层设计上，要继续加强政策支持，有步骤、分阶段地落实推进，从特殊专用市场到大众市场进行应用实施，逐步打造开放架构处理器IP共性技术平台。同时要重视知识产权布局，避免在新生态形成后缺失关键技术与关键专利，布局标准必要专利，协同重点企业打通关键技术突破通道。
睿思芯科公司创始人谭章熹博士是加州大学伯克利分校RISC-V的原创项目组主力成员之一，他向记者透露，其实中国人、华人在RISC-V基金会的董事会的人还是蛮多的，但在标准层面参与推动的并不多，“听者众，有发言权的不多”，因为开源社区的话语权与贡献率成正比，没有贡献就没有话语权。
赵琛进一步表示，中国企业与机构应该积极参与到基金会的各个层次中，虽然说在开源世界是话语权取决于贡献率，但如果不积极参与基金会的各个层次中，最后贡献率也并一定能够影响话语权。软件开源的运作的机制相对成熟，而在芯片、指令集、硬件领域的开源刚刚开始，目前这个领域的运作机制并未完全成熟，越是早期越需要更深层次的介入。在深度参与RISC-V基金会和标准制定上，何小庆表达了与赵琛相同的观点，目前中国企业参与基金会标准工作组工作的不够，希望中国企业和个人积极投身开源指令集架构基础技术发展，更多参与和共享才能够影响risc-v技术线路和生态环境，赢得更多话语权。
“参与和推动RISC-V标准制定，需要发挥集体的力量，开展广泛的国际化合作，保证RISC-V生态的统一和完整。”徐滔说。
“开源并不意味自己做好的东西扔到社区里就叫开源，它是一个体系化的思路，一种迭代的思路，而且开源基金会的标准也并是固化的，它是不断更新、不断迭代的，所以我们必须要在这样的大框架下有大量自己的原始创新。”刘明说。
谈及推进RISC-V的原始创新方向，谭章熹认为，中国企业应该往高端化方向走，在高端路线上数据中心和新能源汽车是两个大有建树的应用场景。“RISC-VRISC-V的生命力在于差异化、快速迭代，便于新东西落地，而这两个领域都对算力和差异化有巨大诉求。数据中心每三年更新一次，对于迭代速度有很高的要求。“谭章熹说。
对于中国企业的高端化路线，李秧表达了同样观点，他认为中国企业要发展高性能的RISC-V芯片，而且要在市场上得到规模化的应用。
对于目前RISC-V创业企业都相对比较小而散的问题，谭章熹认，小企业更敢于创新，事实上在硅谷很多产业包括GPU的发展都是从小而散的“一地鸡毛“开始，最后大浪淘沙，适者生存，活下来的长成参天大树，这是产业发展的规律。产业大的更迭往往是小企业首先意识到机会，率先行动，未来的芯片产业发展最大动力，一定会是来自开源，而正在兴起的开源芯片、开源硬件将给中国做芯片带来一个变局机会。
在采访中，几位受访人都谈及了教育与生态的问题，目前中国不缺资金、不缺应用场景，但是缺乏耐心、缺乏全栈的芯片人才，缺乏全线生态的意识。国家重视要把钱投到教育上。
徐滔认为，RISC-V给中国在处理器核心技术上提供了突破口，应该从资金、政策、科研、教学等各个角度全面布局推动RISC-V的发展。加大对教育科研机构的支持力度，支持基于RISC-V的大学教育与研究，包括软硬件以及应用的开发，为产业发展持续提供新鲜血液；进行广泛的生态链布局，推动软件在RISC-V的适配，包括RISC- V基础软件、操作系统、中间件以及应用软件。
赵琛认为，我们需要加大对于RISC-V软件生态构建的关注，X86与Arm能够成为PC、服务器与移动市场的事实标准，得益于CPU+OS，操作系统对于指令集能够否成为成功起着关键重用。
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