挑战X86、ARM架构，RISC-V能否成为中国物联网时代赶超欧美的希望

转自亿欧网

芯片行业落后三四十年的中国，能否借RISC-V发展契机直击行业“金字塔尖”，绝地求生。

近日，由海淀区政府、北京市科委、北京微芯边缘计算研究院共同发起，中关村科学城开源芯片源码创新中心成立。创新中心将推动芯片设计领域全球标准创建，建设国际开源平台，提升我国芯片设计硬实力和自主可控核心能力。

众所周知，芯片的架构设计一直被誉为芯片行业的“金字塔尖”，难度巨大，且一直被国外垄断。

此次，中关村科学城开源芯片源码创新中心的成立，旨在抢抓RISC-V芯片生态发展机遇期，构建RISC-V芯片创新生态，打造我国自己的芯片和架构。

多年来，由ARM公司主导的ARM架构、与英特尔主导的X86架构是全球芯片领域的主流架构。随着人工智能等前沿科技发展，这些老牌的主流架构开始面临众多挑战，不少科技巨头纷纷转向RISC-V架构。RISC-V因其灵活、精简、开源等特性，成为全球芯片领域备受关注的架构，也被视为中国芯的“新机遇”。

全球芯片领域主流架构“两极争霸”的局面或许将会变为“三足鼎立”的新篇章。

RISC-V突围的故事，还是要从两大巨头如何形成开始说起。

初代芯片王朝的崛起

学过半导体的人都知道一句话，**CPU的发展史简单来说就是Intel公司的发展历史。**从1971年，Intel推出了世界上第一款微处理器至今，CPU的发展已经有近五十多年的历史。而Intel在CPU发展前进的每一步上都留下了浓墨重彩的一笔。

1968年，戈登·摩尔和罗伯特·诺伊斯在硅谷创办了Intel公司。戈登·摩尔，正是大家所熟知的“摩尔定律”的提出者。

1971年，世界上第一块微处理器4004在Intel公司诞生了，片内集成了2250个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，频率为108KHZ，前端总线为0.74MHz （4bit）。

没有微处理器，个人计算机就不可能出现，而没有个人计算机，就不可能有后来的互联网革命。可以说，微处理器的出现，改变了整个世界。

1978年6月8日，Intel生产出了世界上第一款16位的微处理器并命名为“i8086”。

i8086的出现也同时开创了一个新时代：X86架构诞生了，它定义了芯片的基本使用规则。

X86架构指的是CPU执行的一些计算机语言指令集，由于Intel从8086开始，此后升级的每一代芯片（例如80186、80286等）都用的同一种CPU架构，所以人们将这些指令集统一称之为X86指令集，也就是所说的X86架构。

1981年使用X86架构的8088芯片首次用于IBM PC机中，开创了全新的微机时代，也就是大家熟知的个人PC时代。

1993年，Intel推出了奔腾处理器Pentium。Pentium是x86系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至3.3V。这样不仅可以大幅减少功耗，也让性能有了新的突破。

奔腾处理器的诞生，让Intel公司甩掉了只会做低性能处理器的帽子，其运行速度达到工作站处理器的水平。Intel一举超过所有日本半导体公司，坐上了半导体行业的头把交椅。

此后，以Intel、AMD等公司为代表的X86架构芯片遍横扫世界，统治了个人PC与服务器时代，书写着王朝的史诗。

王朝演替，各据半壁江山

技术决定能否提供需求，而需求也决定了技术发展的方向。

随着移动互联网时代的到来，人们对电脑等大型设备需求降低，对手机等移动设备需求显著提升，在这个需求变革契机，另一巨头ARM显现出来，开启了自己的传奇。

1981年，电子设备设计和制造公司Acorn迎来了一个难得的机遇，英国广播公司BBC打算在整个英国播放一套提高电脑普及水平的节目，他们希望Acorn公司能生产一款与之配套的电脑。

接下这个任务之后，Acorn公司就开始干了起来。很快他们就发现，自己产品的硬件设计并不能满足需求。当时CPU的发展潮流，正在从8位变成16位，性能正在大幅提升。Acorn自己并不能制造生产芯片，他们只能去寻找其他厂商合适的芯片。

一开始，他们打算使用美国国家半导体和摩托罗拉公司的16位芯片。但是，经过评估后，他们发现了两个缺陷：第一，芯片的执行速度有点慢，中断的响应时间太长。第二，售价太贵，一台500英镑的电脑，处理器芯片就占到100英镑。

于是他们打算去找当时如日中天的Intel，希望对方提供当时代表最先进技术的80286处理器的设计资料和样品，但是，却遭到了拒绝。无奈下Acorn公司只能自己造芯片。

经过多年的奋斗，Acorn最终完成了CPU的设计。对于这块芯片，**Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。这也就是这就是大名鼎鼎的“ARM”三个字母的由来。**后来的ARM架构，指的也是设计这款芯片时采用的架构。

1985年，Acorn研发出来的第一款处理器芯片的型号，被定为 ARM1。但是，就在同一年，1985年10月，英特尔发布了80386。在80386面前，ARM1显得弱小不堪。在ARM1之后，Acorn陆续推出了好几个系列，例如ARM2，ARM3。

1990年，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司——Advanced RISC Machines（虽然缩写相同，但ARM芯片是Acorn RISC Machine的缩写）。ARM公司是Acorn、苹果、诺基亚、VLSI、Technology等公司的合资企业。

虽然Intel持续迈向X86高效能设计，而ARM则专注于低成本、低功耗的研发方向。两者看似有着不同的方向，但在Intel强大的统治下，ARM并不好过。

在这个情况下，ARM决定改变他们的产品策略，他们不再生产芯片，转而以IP授权的商业模式，将芯片设计方案转让给其他公司。简单来说就是，ARM不再像Intel一样，一颗芯片的设计、制作、封装都由自己来完成，它相当于出售自己的“设计图纸”，剩下的由购买方自己去完成。

没想到正是这种模式，开创了属于ARM的全新时代。

1991年，ARM将产品授权给英国GEC Plessey半导体公司。

1993年，ARM将产品授权给Cirrus Logic和德州仪器（Texas Instruments，TI）。

与德州仪器的合作，给ARM公司带来了重要的突破。而且，也给ARM公司树立了声誉，证实了授权模式的可行性。

此后，越来越多的公司参与到这种授权模式中，与ARM建立了合作关系。其中就包括三星、夏普等公司。

因为手机不需要像电脑那样强大的性能，它们更需要便捷性与低功耗，所以手机厂商不需要X86架构那样强大的性能，因此大量使用ARM架构去设计，随着移动手机井喷式的增长，ARM架构也随之水涨船高。

2007年，真正的划时代产品出现了。那就是iPhone。

苹果iPhone的出现，彻底颠覆了移动电话的设计，开启了全新的时代。第一代iPhone，使用了ARM设计、三星制造的芯片。

iphone的热销，App Store的迅速崛起，让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。紧接着，2008年，谷歌推出了Android（安卓）系统，也是基于ARM指令集。

至此，智能手机进入了飞速发展阶段，ARM也因此奠定了在智能手机市场的霸主地位。

2011年，就连传统Wintel联盟（windows+intel）的微软，也宣布Windows8平台将正式支持ARM架构处理器。这是计算机工业发展历史上的一件大事，标志着X86架构处理器的主导地位发生动摇，也标志着ARM架构处理器正式成为另一新的巨头。

巨头弊端显现，夹缝中杀出的RISC-V

两大巨头，一个演绎着PC时代的神话，一个在移动互联网时代称霸。两种不同架构各有侧重。可以说是优势互补、无法替代的关系。

而在下一个时代，物联网的时代，他们是否还能继续稳稳坐在第一的位置上？

CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)是当前CPU的两种架构分别采用的指令集。X86架构采用CISC，ARM架构采用RISC。

从性能上看，X86架构的芯片，无论如何都比ARM架构的芯片在更快、更强。

X86架构的CPU运行起来，随便就是1G以上的运行内存，并可以采用双核、四核等模式来加强性能，通常使用45nm（甚至更高级）制程的工艺进行生产。而ARM架构方面：CPU通常是几百兆的运行内存，最近才出现1G左右的CPU，制程通常使用不到65nm制程的工艺。

可以说，在性能和生产工艺方面ARM架构根本不是X86架构的对手。

但ARM架构的优势不在于性能强大而在于效率，ARM架构采用RISC流水线指令集，在完成综合性工作方面处于劣势，但在一些任务相对固定的应用场合其优势就能发挥得淋漓尽致。

从拓展能力来看，X86架构的设备采用“桥”的方式与扩展设备，如硬盘、内存等，进行连接，而且X86架构的设备出现了近30年，其配套扩展的设备种类多、价格也比较便宜，所以X86架构的电脑能很容易进行性能扩展，如增加内存、硬盘等。

ARM架构的设备是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接，所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行，一般在产品设计时已经定好其内存及数据存储的容量，所以采用ARM架构的系统，一般不考虑扩展。基本奉行“够用就好””的原则。

从功耗来看，高功耗导致了一系列X86架构无法解决的问题出现：系统的续航能力弱、体积无法缩小、稳定性差、对使用环境要求高等问题。从这里我们可以发现X86架构与ARM架构是在两个完全不同领域方面的应用，它们之间根本不存在替换性。

在服务器、工作站以及其他高性能运算等应用方面，可以不考虑功耗和使用环境等条件，这时X86架构占了优绝对优势；但受功耗、环境等条件制约且工作任务固定的情况下ARM架构就占有很大的优势，在手持式移动终端领域，X86架构的功耗更使其毫无用武之地。

相比于X86架构和ARM架构，RISC-V架构显得有点名不见经传。

RISC-V，一般念做：riskfive。V，就是罗马数字5。

很多人提到RISC-V，都会说它是开源芯片。其实这种说法不是很准确。准确来说，RISC-V是一个基于“RISC（精简指令集）”原则的开源指令集架构，是RISC架构的子集。

既然是RISC架构的子集，那么它为什么敢挑战两大架构的地位？

其实这与芯片行业目前的格局与发展方向有关。

现如今，随着5G、物联网、人工智能等技术的蓬勃发展，越来越多的企业希望生产和制造服务于各个垂直行业的终端和模组。

但X86架构一直是Intel和AMD两家公司掌握的封闭性技术，没有明确的知识产权授权模式。而ARM架构则需要上亿高昂的授权费用。这都使得中小企业、创新企业望而却步。

这时，RISC-V出现在了人们的视野。RISC-V基于小型、快速、低功耗等现实情况设计，而且其设计者也并没有对特定的微架构进行过度的设计，恰巧可以满足物联网时代传感器：低性能，结构简单，低功耗的需求。

突围成功还是失败

RISC-V的众多优点是可以看得到的，RISC-V架构采用的开源方式，其指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件而不必支付给任何公司专利费。

虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要的意义：RISC-V的设计可以完全适用于现代计算设备（如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统）；设计者考虑了不同用途的性能与功率效率；RISC-V还拥有众多支持软件，这解决了新指令集通常的弱点。

中国工程院院士倪光南多次在公开演讲中表示，RISC-V的优势，在于其包含了CPU发展过程中优秀的创新点，在技术上非常完备。因为“年轻”，它不仅非常精简，而且没有所谓的“历史包袱”。比如，一个技术手册，由于ARM和英特尔都需要与自己的上一代产品兼容，可能需要2000多页，而RISC-V却只需要几百页。

但倪光南院士也给出几点警示，对于移动端和 PC 端市场而言，RISC-V 的生态远未成熟到与英特尔、ARM 等“王朝元老”相匹敌的地步。

首先RISC-V架构开源规则本身有一定的局限性。RISC-V强调完全开源的设计，并且让取用者可任意加上专属指令集，甚至可以自由选择将架构封闭还是维持开源。这样就导致了 RISC-V架构可能出现，虽然拥有更多的指令集，却无法共用的问题。

当各个公司做出具有本身公司特色的芯片时，如果他们选择将自己的专属指令集保密，那么若干年后，很可能出现芯片互不兼容的情况，而这样的碎片化问题往往是不利于产业发展的。

就像Android（安卓）系统本身是一个开源的系统，但经过华为、小米、OPPO等厂商各自开发成自己的系统之后，就变得不在互相兼容了，这也是RISC-V架构开源规则本身的局限性。

此外，**RISC-V架构生态欠缺。**目前，英特尔推动的x86架构市场依旧庞大，几乎从传统PC 到数据中心规模的服务器都在使用基于x86架构的处理器，同时相关软件带动的应用服务也有长达40年的优化发展历史。

对于ARM架构已产生的庞大市场应用规模，RISC-V架构更加难以取代，而且ARM的IP授权模式已经趋于完善，尽管授权费用高昂，但各大厂商依旧乐此不疲，例如我国华为海思、展讯、中兴、全志等芯片皆是采用ARM架构。

虽然RISC-V架构刚刚起步，还面临着众多不确定性，但从1958年集成电路发明以来，我们也看到了整个产业发生了多次的变迁，无论是市场的转变，还是技术的创新，行业一直在带给我们惊喜。

RISC-V架构具有简单和灵活的特性，非常适合部署到物联网、控制器、数据中心的专用芯片和边缘计算等应用场景，具有广大前景。未来，希望具备“得天独厚”优势的 RISC-V能随着我国物联网的先发优势而大放异彩，成为赶超欧美的新动力。