2022年，手机架构能逃离Arm魔爪吗？
如果回顾过去几个月的新闻，会让人有种“2022年手机行业要变天”的感觉。
2021年11月，RISC-V开发板制造商Sipeed展示了运行Android 10操作系统的原型机RV64，并向媒体表示64位的RISC-V手机将于2022年到来[1]；而随着RISC-V芯片设计公司SiFive2022年3月获得1.75亿美元新融资[2]，则让人对使用非Arm手机又多了几分念想。
那么，2022年会是“RISC-V手机的元年”吗？新手机值得期待吗？
付斌丨作者
李拓丨编辑
果壳硬科技丨策划
事情要先从RISC-V讲起。
如今，世界正被Arm和x86两大指令集统治：笔记本电脑、台式机和服务器则基本均为x86架构；我们口袋中大多数智能手机，基本都是Arm架构芯片[3]。自2005年以来，每年超过一亿的手机销售中，近乎98%使用了Arm处理器芯片。[4]
而RISC-V（发音为“risk-five”）是继二者之后，又一个有望成长为参天大树的新秀。
随着各种RISC-V芯片组开始接近稳定支持Linux，一些人开始想把它放进手机。那么RISC-V能撼动Arm的地位吗？
火热的RISC-V正走向手机
x86、Arm、RISC-V都是指令集（又称ISA、架构[5]），指令集是对软硬件的一套标准规范，不具备实体，利用这套规范可以设计对应的处理器芯片和软件系统。打个比方来说，软件是螺母，硬件是螺钉，指令集就是螺母螺钉的尺寸规范。[6]
指令集的作用，图源丨 北京开源芯片源码创新中心
指令集分为精简指令集计算（RISC）和复杂指令集计算（CISC），x86、Arm、RISC-V分属于不同种类指令集，不同指令集间均互为竞争对手。
两类指令集的特点，制表丨果壳硬科技
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RISC-V是后起之秀，制表丨果壳硬科技
参考资料丨公开资料
RISC-V作为后生日渐被重视，其简单、开源、易移植、模块化、经济性、稳定性的特性广受业界青睐[7]。让RISC-V脱颖而出的是其开源性，任何公司或个人均可以根据其架构进行处理器设计[8]，这样不仅降低了设计门槛，设计资源也可以重复利用，大大减少软件成本。
RISC-V是由加州大学伯克利分校在2010年首次发布[9]，2015年非盈利性组织RISC-V基金会（RISC-V Foundation）成立，2019年11月RISC-V基金会因担忧美国愈加严厉的贸易限制考虑播迁瑞士[10]，2020年3月正式迁往永久中立国瑞士，以图摆脱复杂的国际形势，保证永久开源。[11]
目前RISC-V已经成为产业链不可或缺的一环，成功的标志是已有最新工艺SoC量产、有里程碑式的软件支持、支持杀手级应用和核心市场25%的份额。[12]
国内一直较为重视RISC-V竞争，RISC-V理事会中80%的最高级别会员都为中国企业[13]，超过70%的RISC-V主要成员来自中国[14]，多家国产企业已推出RISC-V芯片IP，一些企业也将RISC-V放进自家MCU（单片机）或形成副产线，这是极其罕见的光景。
RISC-V芯片IP典型公司，制表丨果壳硬科技
参考资料丨公开资料
赛道火热，甚至连x86的主导者英特尔今年2月也选择加入RISC-V基金会并不断布局[15]。并且，RISC-V也一度成为印度、越南、以色列等国家数字芯片自主可控的希望。[16]SemicoResearch数据显示，预计至2027年包含RISC-V技术的芯片数量将以每年73.6%的速度增长，届时收入将高达2910亿美元。[17]
RISC-V产品涉及AI SoC、MCU、应用处理器，应用方向以物联网（IoT）为主。随着RISC-V玩家扩大，行业正想着怎么把它做进手机，与Arm一拼高下。
RISC-V在行业中的历史，图源丨RISC-V官方网站
对RISC-V手机的期待需冷静
为什么市场那么渴望用RISC-V取代Arm在手机的地位？
这是因为x86在手机上败退[18]，其它一些指令集包括MIPS在手机领域也几乎毫无收入[19]，支配着市场的Arm又需要授权和支付许可费[20]。Arm好用，但授权费太贵，这让业界又爱又恨，谷歌、高通、三星等80多家科技公司甚至开始合作开发RISC-V开源芯片设计。[21]
专家也指出，RISC-V真正的价值在于它提供了与Arm竞争的可能[22]，同时Arm架构是不能随意修改的，自我优化修改的RISC-V可让芯片更具竞争力。[23]
虽然RISC-V手机被业界看好，但背后诸多问题，也会让它前进异常困难，甚至在近期内想一举取代Arm基本无望。
软硬件基底不好打
虽然在RISC-V平台已经能够流畅运行Android 10，但要满足用户的日常、游戏和各种交互，需要让硬件和软件更好地配合。
软件方面，架构层级的优化并没那么容易，这需要在指令层实现本地方法库、音频库、加解密库等性能优化，除此之外还需要提供安卓多样开发语言的要求[24]。另外，Android软件开发中Java是至关重要一环，但OpenJDK的upstream中，并不支持RISC-V。[25]
硬件方面，需高性能处理器支持，而目前RISC-V CPU IP性能大多处于对标Arm的Cortex M系列、Cortex R系列及入门级的Cortex A系列产品的范围内[26]，目前市场上最快的可授权RISC-V处理器 IP 核性能也在追赶Arm的Cortex-A77，这已是Arm的上一代产品。从芯片PPA角度来看RISC-V也没有明显的优势。[27]
绕不过去的生态问题
就算把软硬件都适配好，一款手机想要正常使用，需要拥有各种实时更新的软件。CPU在执行任务时，需要将代码按照定义个规则运行程序，但RISC-V定义的规则和Arm完全不同，发展到现在诸多APP都是基于Arm编写的。
这种情况下，一种方法是重新开发App，但如果没能向业界证明RISC-V的硬实力，没有应用开发商会花费人力财力做这事；另一种方法是进行二进制翻译（即把一种处理器上的二进制程序翻译到另外一种处理器上执行，实现多平台处理器都能使用），例如苹果的Rosetta2、Godson二进制翻译系统、Android的exagear，但需要投入成本很高。[28]
成也开源，败也开源
当开源被视为RISC-V最大优势时，背后的隐患也不得不引起重视。雷峰网指出，想要高性能的RISC-V 处理器，必须依靠大公司来推动，问题在于，既然无法独享 RISC-V，又会有谁愿意不计成本地为RISC-V产业贡献力量。[29]
一些业界人士向果壳硬科技团队透露，RISC-V现阶段规模化订单极少，很多公司都在观望RISC-V的机会，但现阶段除非特定客户有特定定制化需求，不会主动进入这一领域。
另外，开源环境总是存在着碎片化的风险[30]，而这种情况很像十年前的Arm[31]，RISC-V基金会也意识到这种问题，开始采取行动避免像MIPS和Android一样碎片化。[32]
更为值得注意的问题是，开源了，也没完全开源。此话怎讲？RISC-V指令集本身的确是能被任何学术机构和商业组织使用的，但业界进入该领域后，会诞生大量加入自家特色的IP（知识产权核）、SoC设计、工具链、基础软件和应用研发[26]，比如SiFive就是一家提供RISC-V指令集架构处理器核心IP供应商，想要使用其IP仍需支付授权费。[33]
RISC-V也存在需要授权的阶段，图源丨北京开源芯片源码创新中心
设计缺陷会逐渐显露
任何与软硬件相关的东西都是要经过冗长迭代过程的，在尝试新领域后，逐渐暴露的缺陷也是一个耗时的问题。
此前，普林斯顿大学研究者在RISC-V的开源处理器核中发现多处严重的缺陷，如果不加以不修正，运行在 RISC-V上的软件可能会遇到问题。当时，RISC-V基金会表示多数RISC-V版本不受错误影响，但高性能系统会受到很大影响[34]。另外，RISC-V也曾出现一些诸如寻址模式错误等初级的错误。[35]
不得不面对的产能问题
现如今，芯片缺乏涨价成了常态，而RISC-V手机芯片也绕不开制造难题。芯片厂商需要将设计好的产品交由代工厂进行生产，手机芯片一般又都是最为先进的制程，最差也已很少见14nm以下了。
而手机市场竞争严重，抢产能早已是常态。今年初便有消息称台积电晶圆代工产能紧张，苹果涨价包下台积电12万~15万片的4nm产能。[36]
没有优异的性能表现，何谈市场？但本就芯片缺乏的情况下，又该如何抢占产能？
革命尚未成功，行业仍需努力
虽然RISC-V进入手机似乎太早了，但顶级芯片设计师Jim Keller也曾提倡不要争论指令集，因为近乎80%的核心执行是由加载（load）、存储（store）、加（add）、减（subtract）、比较（compare）和分支（branch）6条指令涵盖组成。[37]
眼看苹果也开始入局RISC-V[38]，为了摆脱Arm的支配，业界都在努力尝试。冷眼看如今发展行径，十多岁的RISC-V已来到平台期，这一指令集仍然缺乏一些标志性事件来展现其能力上限。[39]
那么国产RISC-V手机还差几公里？纵观目前使用RISC-V的产品还是以物联网为主，市场对RISC-V的接受程度仍然较低，且没有突破性的商业化案例，大多数只是Arm的替代品[40]，虽然有阿里巴巴这种成功移植的案例，但在生态链不成熟情况下仅可能先出货低端手机，而杀价占领市场，并非长久之计。
对RISC-V手机的期待是值得的，但也不能给它太大压力，它要走的路还很长。但业界对RISC-V是积极的，待它被业界更加认可，手机也便会瓜熟蒂落。
References：
[1] Tux Phones：The world's first RISC-V phone might be just around the corner.2021.11.24.https://tuxphones.com/sipeed-rv64-first-risc-v-rv64-phone-linux-2022-2023/
[2] Protocol：SiFive raises $175 million in bid to unseat Arm with RISC-V.2022.3.16.https://www.protocol.com/enterprise/sifive-raises-175-million-riscv
[3] IEEE Spectrum：RISC-V Star Rises Among Chip Developers Worldwide.2021.4.7.https://spectrum.ieee.org/riscv-rises-among-chip-developers-worldwide
[4] CNET：ARMed for the living room.2006.4.3.https://www.cnet.com/tech/tech-industry/armed-for-the-living-room/
[5] AI电堂：Arm 与RISC-V.2021.7.27.https://mp.weixin.qq.com/s/NEGDJU-Z0l0NOTl31cIDsA
[6] 北京开源芯片源码创新中心：关于RISC-V和开源处理器的一些解读.2020.3.10.https://mp.weixin.qq.com/s/QUvugqHn4A7PRFK8Q2DrQA
[7] 陈彦秦,陈麒安,赵振华.基于RISC-V微控制器与FreeRTOS红外耳温量测系统[J].中国集成电路,2020,29(Z3):55-62.
[8] 叶锡聪,庄灿锋,王宇木.RISC-V向量指令集的Compute Library函数库移植[J].单片机与嵌入式系统应用,2021,21(1):8-13
[9] Waterman A,Lee Y,Patterson DA.The RISC-V Instruction Set Manual, Volume l:Base User-Level lSA.Vol.1.2011.
[10] Reuters：U.S.-based chip-tech group moving to Switzerland over trade curb fears.2019.11.26.https://www.reuters.com/article/us-usa-china-semiconductors-insight-idUSKBN1XZ16L
[11] RISC-V：History of RISC-V.2021.https://riscv.org/about/history
[12] 半导体投资联盟：RISC-V不愿只做配角.2022.2.27.https://mp.weixin.qq.com/s/88_Fe28R_vKiC5vKlfarSg
[13] 歪睿老哥：RISC-V理事会，80%的最高级别会员被中国企业申请了？.2021.6.7.https://mp.weixin.qq.com/s/OM3nQj91PgbUhXyVW2IgEQ
[14] 芯师爷：RISC-V架构国产芯片再迎超强玩家.2021.12.17.https://mp.weixin.qq.com/s/32xNfMoQAcmarO2k0g9U1g
[15] RISC-V：Intel Corporation Makes Deep Investment in RISC-V Community to Accelerate Innovation in Open Computing.2022.2.7.https://riscv.org/blog/2022/02/intel-corporation-makes-deep-investment-in-risc-v-community-to-accelerate-innovation-in-open-computing/
[16] 电子发烧友网：亚洲视野下的RISC-V.2022.3.28.https://mp.weixin.qq.com/s/4o-uXRgBym8vcvm2PAlP8w
[17] SemicoResearch：Analyzing the RISC-V CPU Market for SIP, SoCs, AI and Design Starts.2022.2.https://semico.com/content/analyzing-risc-v-cpu-market-sip-socs-ai-and-design-starts
[18] 爱范儿：x86 手机之死.2016.5.19.https://www.ifanr.com/652639
[19] 半导体行业观察：RISC-V走进手机？.2021.3.4.https://mp.weixin.qq.com/s/aa8MNZ6HsK9cikzqjn7kpA
[20] 陈徐毅.ARM收购案的终止与RISC-V的机遇[J].中关村,2022,(03):60-61.
[21] 新智元：图灵奖得主牵头推动芯片开源，清华伯克利成立RISC-V国际实验室.2019.6.15.https://mp.weixin.qq.com/s/7K2cuPSYzm68vJKpHYpnkA
[22] Semiengineering：Why RISC-V Is Succeeding.2022.2.24.https://semiengineering.com/why-risc-v-is-succeeding/
[23] 谭伦.中国押注RISC-V：能否打破X86与ARM垄断格局？[N].中国经营报,2021-07-05(C01)）
[24] 芯基建：直戳Arm长处！首个RISC-V版安卓10系统顺畅运行.2021.1.22.https://mp.weixin.qq.com/s/rFyRJBqiLCtrfwpjSqT8tA
[25] 电子发烧友：安卓上RISC-V，移植成最大阻碍.2021.10.14.https://mp.weixin.qq.com/s/vKZaROrrlXhjI_fBDb4G0A
[26] 姬晓婷.RISC-V的进击与纠结[N].中国电子报,2022-01-18(001)
[27] 芯基建：2021年RISC-V会有什么大变化？.2021.1.28.https://mp.weixin.qq.com/s/s04Jbveji2-23V_0cjghtg
[28] iNews：Will mobile phones equipped with RISC-V chips come out next year?Software ecology or the biggest weakness.https://inf.news/en/tech/a0f170f307f9c699edce5fd7b49576c1.html
[29] 雷峰网：9大芯片巨头的RISC-V阴谋：大哥卡对手脖子，二哥要另立门户.2022.1.27.https://mp.weixin.qq.com/s/9j6mtH7RBevJiyB9wrQeCA
[30] 中国电子报：复合增长率将达146%，RISC-V未来可期?.2019.12.17.https://mp.weixin.qq.com/s/D7QF5ZT5RvQygpsZC9zaKA
[31] EETimes China：从产业与教育生态，谈RISC-V的发展现状与未来.2021.6.29.https://www.eet-china.com/news/202106290916.html
[32] The Register：RISC-V takes steps to minimize fragmentation.2022.4.1.https://www.theregister.com/2022/04/01/riscv_fragmentation/
[33] 芯智讯：开源架构RISC-V到底会不会有“被禁”风险？.2019.6.1.https://mp.weixin.qq.com/s/AnA6sInXHIAJ63nkoC93Jw
[34] Mark Patrick,禾沐.RISC-V为什么会成为热点?[J].单片机与嵌入式系统应用,2020,20(11):15-16+20.
[35] The Sparks Space：RISC-V isn’t as interesting as you think.2021.2.1.https://sporks.space/2021/02/01/risc-v-isnt-as-interesting-as-you-think/
[36] 芯东西：苹果A16芯片安排上了！包圆台积电4nm产能，下半年量产.2022.1.17.https://mp.weixin.qq.com/s/zke8CbzCgRYnWghAmuDWqA
[37] AnandTech：An AnandTech Interview with Jim Keller: 'The Laziest Person at Tesla'.2021.7.17.https://www.anandtech.com/show/16762/an-anandtech-interview-with-jim-keller-laziest-person-at-tesla
[38] Tom's Hardware：Apple Exploring RISC-V, Hiring RISC-V 'High Performance' Programmers.2021.9.3.https://www.tomshardware.com/news/apple-looking-for-risc-v-programmers
[39] 李佳师.RISC-V：有望改变未来芯片格局[N].中国电子报,2021-07-27(001)
[40] 36氪Pro：36氪年度行业研究 | 完全开源、无专利掣肘，「RISC-V」会是芯片自主的关键解吗？.2021.1.5.https://mp.weixin.qq.com/s/KtObnfSTABGC8Db3W9TWTQ
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