曾经被英特尔、Arm等垄断的芯片指令集，现在出现免费开源版本。将满十岁的RISC-V，在全球掀起一场芯片设计革命，它能成功吗？

全球芯片行业过去主要将精力放在研发少量"杀手级芯片"上，当面对物联网那样碎片化的市场时，往往不知所措。

今年3月，发起设立于美国的RISC-V基金会宣布，已完成在瑞士注册，总部正式迁到瑞士。这家芯片架构合作组织再次展示了它坚持开源、不受国际政治干扰的初心。在科技战盛行的今天，此举备受各国芯片业瞩目。

时间回到2017年5月8日，一场半导体行业会议在上海交通大学举行，超过200位中外嘉宾挤满了整个报告厅，会议主题是“芯片架构的未来是什么？”这是RISC-V架构诞生以来，在中国举办的首场研讨会。后来，参加那场会议的很多人，成了RISC-V阵营的领军人物。那一天，也被许多人视为“启蒙时刻”。

彼时，全球芯片架构似乎格局已定：美国公司英特尔的x86架构称霸个人电脑和服务器两大市场，在企业级市场把IBM等竞争对手逼到死角；英国公司Arm的架构通行于智能手机和物联网市场，2016年，在英特尔放弃为移动市场开发下一代处理器之后，几无敌手。

曾任教于美国加州大学伯克利分校的克尔斯泰·阿桑诺维奇（Krste Asanovic）却在那场会议上提出了一个大胆假设：行业能不能打破一两家公司的垄断，一起推一种开源的芯片架构RISC-V，让所有人免费取用？

这改变了很多人对中央处理器（CPU）的看法。“以前认为，处理器技术已经成熟，很难有新的突破。突然提出处理器指令可以开源，这给大家眼睛一亮的感觉。”这是徐滔第一次系统地了解RISC-V。2018年，他成为上海赛昉科技的CEO，专门向中国企业提供RISC-V产品和服务。

芯片架构即指令集（Instruction Set Architecture）,是软件和硬件之间的接口，也是一套标准规范。所有软件指令需要根据这套规范，翻译成芯片能懂的语言，才能使CPU和各种硬件运作起来。因此，每套芯片指令集的背后，都有一个软件生态，与竞争对手的互不相容。过去几十年，英特尔与微软结盟，Arm与苹果、谷歌结盟，成为各自市场的事实标准。

诞生于2010年的RISC-V希望创造“新世界”。与开源软件Linux一样，RISC-V指令集由一家非营利基金会所有，所有企业都可以加入基金会，免费使用RISC-V架构，并在其基础上进行改动。徐滔把这比作“人民战争”，由于RISC-V没有单一源头，即便一家企业失败了，点燃的星星之火也将燎原。

很多企业对此感到兴奋。到2019年，RISC-V已经吸引了谷歌、阿里巴巴、三星、华为、英伟达、西部数据等全球500多家企业参与研发，每年芯片的出货量达百万颗。不少企业认为，RISC-V架构免费、精简、开放，尤其适合为智慧城市、工业互联网、智能家居等碎片化的物联网场景提供定制芯片。2019年12月，中国工程院院士倪光南预测，在CPU领域，未来将形成英特尔（x86）、Arm、RISC-V三分天下的格局。

RISC-V开源的特点，还使其更能抵御地缘政治的冲击。作为一种公开的芯片行业标准，RISC-V指令集不在美国出口管制的范围之内。2019年6月，在华为被美国封杀一个月后，RISC-V基金会决定将总部从美国搬到瑞士，以免基金会未来的运作受到美国出口管制政策的影响。这令RISC-V受多国政府重视。在印度，当地政府和科研机构担心被国外“卡脖子”，将大量资金投入RISC-V处理器的研究，使其成为事实上的“国家指令集”。

目前，相较于发展了几十年的x86、Arm架构，将满十岁的RISC-V生态成熟需要时间。事实上，从芯片业的历史来看，SPARC、IBM的POWER等一大批芯片架构都曾走上过开源之路，至今未结出硕果。

Arm曾经预测，2017年至2035年，全球将增加约1万亿台物联网设备。Arm不可能放弃万物互联的市场机会，势必不断回击，包括在2019年10月允许Arm客户免费定制部分指令，以防他们倒戈。夹缝之下，RISC-V在全球掀起的这场芯片设计革命将走向何方？

RISC-V走到台前

2010年5月17日，RISC-V诞生于崇尚创新的加州大学伯克利分校。当时，电气工程及计算机系教授阿桑诺维奇正准备启动一个新的科研项目，需要考虑采用什么芯片架构。 

摆在他面前的，是业内的两种主流架构：诞生于1978年的英特尔x86架构属于复杂指令集（CISC），光指令集手册就超过2900页，且不允许外界修改；1983年开发的Arm架构，采用的是更先进的精简指令集（RISC），但由于价格高昂，指令集的权限只卖给几家大型科技企业，比如苹果公司。 

不愿接受各种限制的阿桑诺维奇决定，带领两位博士生开始一个为期三个月的暑期项目。为此，他们还专门邀请了RISC的发明者、图灵奖得主大卫·帕特森（David Patterson）参与指导。为纪念1981年至1988年间在伯克利诞生的前四款RISC处理器，他们将这一指令集命名为第五代RISC，用罗马字母V来表示，即RISC-V（读作risk-five）。 

因为是用于科研，这个指令集最大的特点是简单，基础指令集的指令不到50条，其他功能全部采用扩展指令集，由用户根据需要来添加。英特尔和Arm的架构为了兼容此前的软件，都已发展出超过1000条指令。 

从2010年秋到2014年，RISC-V一直被用于伯克利的日常教学。有时候，教授们为了给学生布置作业，会去修改指令集，要求研究改动所造成的影响。令阿桑诺维奇意外的是，每次他们这么做，就会收到来自印度等地的外部投诉，指责他们随意修改指令集。 

“我们最初的反应是：你是谁？为什么要来管伯克利校园里发生的事情？”阿桑诺维奇在2016年的一场公开演讲中表示。但随着时间的推移，他逐渐意识到，外界对一款开源芯片架构存在需求，于是在2014年冻结了RISC-V指令集。

2015年，RISC-V基金会正式成立，由阿桑诺维奇担任董事会主席。同年，阿桑诺维奇与两位博士生Andrew Waterman和Yunsup Lee一起离开学术界，成立SiFive公司，帮助企业定制RISC-V芯片，开启了RISC-V的商业化之旅。

“在RISC-V的整个发展过程中，2015年是一个很重要的里程碑，是真正开始大规模推广的一年。”中国科学院计算所研究员包云岗向财新记者表示。

彼时，RISC-V并不是市场上仅有的开源指令集。2013年，IBM 推出OpenPOWER项目，将自己小型机的POWER架构开源，并拉来谷歌、英伟达、三星、浪潮、中兴等全球130多家企业为其站台，曾经轰动一时。如今雷声大雨点小，不少成员转投RISC-V。

包云岗在2015年转向RISC-V研究之前，用的则是美国SUN公司开发的SPARC架构，有开源的版本OpenSPARC。SPARC架构最早是为几十年前的小型机而设计，开源版本的代码较为复杂，专业的工程师都需要至少半年才能把它搞懂，更不用说去改造它。这么高的入门门槛，使SPARC的开源社区几乎成为“一潭死水”。“2013年，我们在SPARC社区上提了一个问题，到今天还没有人回答。”包云岗说。

包云岗认为，RISC-V的幸运在于赶上了好时候：其指令比x86和Arm都少，对新人来说，门槛更低；由于指令集是开源免费，各家企业可以自己开发RISC-V核，用其替代Arm，可以省下百万甚至千万美元的知识产权（IP）授权费用，在商业上有吸引力；RISC-V在冻结的基础指令集之外，以模块化的方式，提供了不少扩展指令集，使定制芯片变得更加容易，可以应对物联网碎片化的需求。

在2018年的一场演讲中，SiFive CEO 纳文·施瓦尼（Naveed Sherwani）表示，过去的全球芯片行业，主要将精力放在研发少量“杀手级芯片”（Killer chips）上，以满足PC、手机等行业每年的更新换代需求。其商业模式是，通过大量出货几款芯片来均摊成本，以支持台积电等不断研发更昂贵的制造工艺。这个体系的目的是维持摩尔定律，让芯片性能每18至24个月翻一番。

“但如果你让这些公司现在去设计1000款芯片，因为市场变得像物联网那样碎片化，他们就不知所措了。”施瓦尼表示。

RISC-V崛起的背后，还有由伯克利的团队于2012年推出的一种新的硬件描述语言——Chisel。包云岗解释，在芯片设计行业，很多人仍在使用上世纪80年代初发明的Verilog语言，就好比软件业以前用的汇编语言，开发效率很低。过去几十年，软件行业逐渐用上了C、Java、Python等高级语言，可以将含有几百万行、甚至上千万行代码的复杂程序分解成一个个模块，交给几千人协作开发。而Chisel等新语言则将模块化设计等概念引入硬件设计，使芯片设计可以使用已有的模块，减少重复劳动。

“以前那种设计方法，做大型芯片时非常费劲，所以大家会觉得，做芯片好难，只有少数几家企业能做出来。”包云岗预测，随着新语言和方法论的普及，未来设计芯片有可能会像现在开发手机应用一样简单。

谁是革命推手？

RISC-V全球推广，目前已有不少拥趸：一类为SiFive、武汉芯来科技等初创企业，专注于RISC-V这一个赛道；一类为西部数据（Western Digital）、英伟达等巨头，希望借RISC-V架构来打造部分芯片，降低公司成本。

2017年11月，美国存储企业西部数据宣布，将逐渐把每年使用的超过10亿颗芯片内核切换成RISC-V架构。他们还给自己用的内核取名为SweRV，在2019年开源。有西部数据高管向财新记者表示，硬盘等存储设备的微控制器（MCU），不需要多少软件支持，尤其适合使用RISC-V架构。

地处硅谷的SiFive进展同样迅猛。2019年6月，SiFive获得6540万美元的D轮融资，由成为资本、高通风投等领投。在此之前，SiFive已经拿到西部数据、SK海力士、英特尔资本、华米等的投资。

通过这些投资，SiFive为自己锁定了一个稳定的客户群。2019年，华米科技在其智能手表中使用了RISC-V架构芯片黄山1号。华米CEO黄汪对外表示，这款芯片的成本小于1美元，比市面上的芯片要便宜一半左右。2019年12月，三星也成为SiFive客户，将在毫米波射频芯片和AI图像感知芯片中采用SiFive开发的RISC-V IP核。

SiFive对庞大的中国市场有野心。由徐滔担任CEO的上海赛昉科技，是一家由SiFive入股、中国投资者和管理层持股的企业。徐滔告诉财新记者，他们除了在中国提供SiFive的产品，还要自研新的IP核、软件、中间件、开发件等，与SiFive是两家独立的公司。“我们将形成一个自己的IP核系列，掌握核心技术，走自主可控服务国内客户的道路。”他说。

徐滔在2019年就接触了超过400家中国客户，赛昉的员工人数预计也将从今年的100多人增加至未来的500-700人。徐滔认为，目前国内企业对RISC-V兴趣浓厚。
在中国RISC-V阵营中，最受关注的是阿里巴巴集团旗下的平头哥，由阿里云智能事业群总裁张建锋亲自掌舵。2018年9月，阿里宣布，将内部的芯片业务与外部收购的中天微系统有限公司整合，成立一家全资控股的芯片公司，取名“平头哥半导体有限公司”。

阿里早就想布局芯片产业。有熟悉Arm中国的人士告诉财新记者，Arm准备在国内设立合资公司时，软银集团创始人孙正义曾考虑由阿里控股，最后因阿里竞争对手太多而Arm需要在行业中保持中立遂作罢。2018年4月，Arm在中国的合资公司正式成立，由厚朴等财务投资者持股51%，Arm持股49%。当月，阿里收购了杭州中天微，双方未对外披露交易价格。中天微成立于2001年，最早用的是美国摩托罗拉的芯片指令集，后进行了十多年的自主研发。

平头哥副总裁孟建熠向财新记者表示，平头哥重视RISC-V，是因为这符合整个社会走向开放的大趋势，“一些特别大的基础设施，基本上是越来越开放，比如5G，你要在全球移动，必然涉及到一个全球标准，而全球标准肯定是要开放的。”2015年伯克利团队举办第一场RISC-V研讨会时，孟建熠就注意到了这个架构。2017年上海交通大学那场布道大会，孟建熠也在现场。

2018年9月，中天微拿出首款RISC-V作品——CK902，定位为一款低功耗的物联网处理器；2019年7月，平头哥发布了高性能IP核玄铁910，在RISC-V架构的基础上，扩展了50余条指令，使其适用于5G基站、人工智能加速、自动驾驶等场景；2019年8月，平头哥又发布了SoC（System-on-a-Chip）芯片平台“无剑”，其中包括了处理器、各类IP、操作系统、软件驱动和开发工具等。

孟建熠解释，如果以软件作比，玄铁处理器可以看作Linux，而无剑像是在Linux基础上打造的安卓操作系统，可以与各个行业的企业合作，将其应用在不同场景中。他表示，目前有不少公司正在评估这些产品，预计2020年下半年将会有一些原型产品面世。

Gartner研究副总裁盛陵海向财新记者表示，RISC-V作为一种新的架构，全球所有企业几乎处在同一起跑线上，新进入芯片行业的阿里或许希望借此尝试一下，看是否会有成果。相较SiFive，中天微此前积累的客户主要在MCU（微控制器）领域，平头哥能否成功打入高性能计算等新领域，目前还不确定。“SiFive毕竟在硅谷，背后有高通等企业的支持，相对来说会好一些。”盛陵海表示。

平头哥的优势在于，背后有一艘“航空母舰”的支持，阿里内部就有很大的芯片需求。孟建熠表示，RISC-V是平头哥评估的一个方向，公司尚未完全押注这条赛道，此前中天微开发的产品，也会继续支持。

面对国内的RISC-V热潮，他希望整个行业能更加冷静地去看待，因为芯片的开源开放是一件全新的事情。“不要指望能快速在这里获得多少利益，应该是大家一起来把生态做得更好。”

Arm反击

在RISC-V崛起的过程中，同样以物联网为目标市场的Arm，始终面临着最大压力。

Arm此前已经公布，计划在2023年重新上市。这使其很难通过打价格战来排除RISC-V的威胁。双方交手之初，Arm试图淡化RISC-V的影响，将它比作是学术项目，没有多少实际应用。到了2018年，Arm上线了一个网站，列出Arm好于RISC-V的五个理由，包括Arm的设计更可靠、安全，生态更加完备。但很快，公司内外的质疑声迫使Arm下线了这个网站，并致歉称自己并非反对开源。

2019年下半年，面对RISC-V阵营的步步紧逼，Arm终于作出了迄今为止最有力的回应。7月，Arm宣布，推出Flexible Access计划，企业只需支付一笔较小的费用，就能对Arm的大部分IP进行评估和实验，大部分授权费可以等到最后生产时再支付。此前，华为、高通等企业要想获得Arm的IP，需要先签约付款。这一改变显然是为了迎合那些对Arm产品不熟悉的初创企业。10月，Arm又推出了定制化指令（Custom Instruction），在确保软件生态不碎片化的前提下，允许企业免费定制部分指令。在第一阶段，Arm先拿出最新的Cortex M33的CPU进行试验，恩智浦和意法半导体等成为首批受益者。

Cortex-M主要针对嵌入式设备，包括微控制器，可用于智能手环、智能灯、温度感应器等。Arm称，Cortex-M处理器累计出货超过500亿颗，是Arm最成功的CPU之一。“从出货量看，Cortex M33又是M系列中最受欢迎的CPU，未来Arm发布的所有M系列产品都将允许客户进行定制。”Arm市场营销副总裁伊恩·斯迈斯（Ian Smythe）向财新记者表示。

关于突然允许定制化指令的原因，斯迈斯解释，在原先的模式下，Arm设计指令时，仅能考虑客户最普遍的需求，对于那些个性化需求，需要用定制化指令来解决。他还表示，Arm走出这一步经过深思熟虑，他们在设计中专门留出一部分空间用于定制指令，以避免出现软件不兼容导致的碎片化问题。

“如果你看一下处理器的历史，就会发现，如果一个芯片架构允许定制和碎片化，而不去持续有效地进行管理，过一段时间，这些架构就会被边缘化，或者只能占领一些很小众的市场。”斯迈斯表示。

他介绍，下一步，Cortex-R系列的CPU也有可能允许添加一部分定制化指令，而Cortex-A系列则不太可能加入。Cortex-R系列主要针对实时性要求高的应用，比如硬盘控制器、汽车安全气囊等，而Cortex-A系列主要针对智能手机和虚拟现实头显等高性能设备。

Arm方面否认推出定制化指令与RISC-V的挑战直接相关，但Cortex-M处理器的目标用户却与RISC-V的高度重合。

盛陵海表示，微控制器（MCU）领域一直是一个百花齐放的市场，没有统一的软件生态，很多企业过去使用的是自己私有的芯片架构，随着他们产品的迭代，预计有些企业会选择Arm，另外一些则会选择RISC-V。

“RISC-V在MCU方面的出货量已经蛮大了，但相对于Arm的出货量，或者过去私有架构的出货量来说，它的比例还是比较小的。”盛陵海表示，Arm还没有输掉这块市场。

碎片化挑战

在MCU之外的市场，Arm用30年时间打造的软件生态，仍是最强的壁垒。有国内初创企业向财新记者表示，虽然用RISC-V替代Arm可以省下一笔授权费，但在开发周期等方面隐性成本太高，他们在评估后决定再等等，“RISC-V生态还需要点时间”。

“我个人认为，目前市场上已经没有多少空间，去留给一种新的芯片架构。”美国芯片设计软件企业Synopsys（新思科技）的全球AI领域负责人沙基卜·阿克鲁特（Chekib Akrout）向财新记者表示，大部分用户并不关心自己手机或电脑芯片用的是什么指令集，只要它能运行用户想要的软件。

阿克鲁特认为，如果一种新的指令集可以做到“与世隔绝”、只用来运行新的应用，不会出现问题。一旦涉及已有应用，让那些过去的软件去适配一个新的指令集，需要耗费大量时间和精力，恐怕得不偿失。

有Arm高管也向财新记者表示，他们内部评估，RISC-V或许能在一些细分市场取得成功，但物联网中最有价值的自动驾驶汽车、增强现实设备等，由于需要大量软件配合，将依然由Arm主导。

另一种声音则认为，万物互联时代，许多专有芯片配套的应用本身就需要重新开发，RISC-V正好踩在了这个时点上，或许将成为物联网主流芯片架构。

盛陵海认为，RISC-V要想与Arm、英特尔争夺市场份额，仍需要拿出几款性能好、成本低的明星级产品，而且得有华为、三星等大厂力推，才有可能逐步建立起生态。英特尔和Arm此前的成功，分别有赖于IBM个人电脑和苹果iPhone的大卖。如今，许多大厂的RICS-V芯片看起来仍是试水。

不过，在他看来，RISC-V当前最大的机遇，是中美科技战的大背景，许多企业担心未来无法使用英特尔和Arm的产品，会更愿意尝试开源架构。2019年5月16日，华为被美国列入“实体清单”，购买使用美国技术的产品或服务受到限制。这引发不少国内外科技企业担忧，国产化替代呼声渐浓。RISC-V作为开源的芯片行业标准，面向全球公开，且RISC-V基金会亦在竭力避免被政治化，风险相对要小很多。

RISC-V阵营内部亦有挑战。“RISC-V的基础指令集虽然简单，但并不能满足很多商业应用的需求，各家企业都要在此基础上添加新的指令，来进行优化。而各家为了保护自己的知识产权，会形成自己的开发工具，如将软件代码转换成指令的编译器（Compiler），很多RISC-V企业的就不统一。”盛陵海认为，企业之间可能不会有太大的动力去打通这些工具，因为那会让客户很容易迁移。这种情况如果长期持续下去，最终RISC-V阵营可能只会有一两家能够生存下来。

徐滔则称，不需要担心RISC-V生态的碎片化，如果IP供应商在IP中加上了不属于RISC-V的指令，在编译器等工具链中必须有所优化，就会和RISC-V主流生态不兼容。“许多大客户一定是反对这种现象的，因为不希望被一家IP供应商绑定，而且如果他们使用了几家公司的产品，各家软件生态不兼容，未来管理的成本会非常高。”他认为，这些大客户的意见最终会使各家都不敢将生态做得碎片化，因为谁离开了RISC-V统一的生态，就会对自己造成损伤。

从长远来看，包云岗认为，要解决碎片化的问题，关键是要推动RISC-V阵营发展出一条主线。他以Linux为例表示，Linux内核诞生之后，就在不断更新迭代，向前演进。他认为，RISC-V的处理器核也要像Linux内核一样，不断增加新的功能，才能使RISC-V阵营更好更快地向前发展。

但现状是，各家企业都在做自己的产品，在如何推动主线发展上缺乏共识。包云岗表示，中科院计算所作为科研机构对RISC-V的开源生态很重视，他们团队计划花大量时间和精力去发展这条主线。他相信，整个RISC-V阵营对于完善生态所需的时间是有心理预期的，将会以十年为尺度去衡量。

“我们不能说，得有个人来组织管理一下，让所有的开源都往这个方向走，这是不现实的。”孟建熠则表示，“开源的生命力，在于它是一种开放的全球协同模式。它一定会经历由乱到相对比较稳的过程，我觉得，现在就在这个过程中。” 他认为，芯片最终还是需要跟应用相结合，如果有人把一个应用方向走通了，就会成为标准。

转载至【《财新周刊》2020年04月06日第13期 文|财新记者 张而弛】