【EDA365电子论坛】RISC-V 能否超越 x86、Arm，成为新一代计算机系统架构？

前言

指令集架构(Instruction Set Architecture，缩写为ISA），是一组指令的集合，指令是指处理器进行操作的最小单元（譬如加减乘除操作或者读／写存储器数据）。指令集架构，有时简称为“架构”或者称为“处理器架构”有了指令集架构，便可以使用不同的处理器硬件实现方案来设计不同性能的处理器。处理器的具体硬件实现方案称为微架构（Micro architecture）。虽然不同的微架构实现可能造成性能与成本的差异，但是，软件无须做任何修改便可以完全运行在任何一款遵循同一指令集架构实现的处理器上。因此，指令集架构可以理解为一个抽象层。该抽象层构成处理器底层硬件与运行于其上的软件之间的桥梁与接口，也是现在计算机处理器中重要的一个抽象层。

01 主流芯片架构

目前市场上主流的芯片架构有 X86、ARM、RISC-V和MIPS四种，每一种架构都有自己的优势和主要应用场景。

X86是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个Intel通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。1978年6月8日，Intel 发布了新款16位微处理器 8086，也同时开创了一个新时代：X86架构诞生了。X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU（i8086）专门开发的，美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU–i8088（i8086简化版）使用的也是X86指令。

ARM架构是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置到电脑外设甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有它的存在。

RISC-V 架构是基于精简指令集计算（RISC）原理建立的开放指令集架构（ISA），RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V 指令集完全开源，可以自由地用于任何目的，允许任何容人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件，并不需要ARM、MIPS那样需要经过授权，受到各种使用的限制。设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。

RISC-V 架构的起步相对较晚，但发展很快。它可以根据具体场景选择适合指令集的指令集架构。基于RISC-V 指令集架构可以设计服务器CPU，家用电器CPU，工控CPU和用在比指头小的传感器中的CPU。

02 AIOT时代的RISC-V

在物联网概念被频繁提及的今天，大家仍然对智能物联网的认知很低，容易理解为它是一种算力比较低的设备。互联网实现了信息的交互和互通，移动互联网实现了人与人之间的信息交互与互通，智能物联网实现的是物和物之间的信息化互联。车作为物的一种，车联网和智能机器人网也隶属于智能物联网的范畴。

互联网时代是 x86 架构，它是一个封闭的指令架构，同时搭载在硬件之上的 Windows 是一个封闭的操作系统。到了移动互联网时代，ARM 就演变成了半开放的指令架构，而它的主流操作系统 Android 就是纯开放的操作系统。如今的智能物联网时代，需要一种更为开放的指令架构以及操作系统。

AIoT 时代应用的多样化与 RISC-V 的优点是高度吻合的。RISC-V 的开放性、设计的简洁性以及功耗的优势，都非常符合 AIoT 时代的场景。得益于可定制、可扩展的特质，RISC-V 架构更容易面向 AIoT 细分领域应用去设计出具有针对性和竞争力的核，从而更适配特定场景的应用需求。这正是它跟 ARM 完全不一样的地方。ARM 提供的是标准处理器，为了最大化商业价值，其在设计处理器核时主要面向各种通用领域，不限定具体的场景，而 RISC-V 的可定制化恰恰是它面向 AIoT 时代重要的优势。

03 RISC-V在汽车中的应用

汽车芯片的控制类芯片主要包括MCU和AI芯片，AI芯片通常要求较高的处理性能，边缘应用则需要低功耗、小尺寸的MCU，而RISC-V刚好是一种适合通用MCU和特定领域专用加速器的ISA。

MCU作为嵌入式系统和运动控制器的核心，提供应用控制层，执行总线通信协议，并提供用户接口。然而，MCU 芯片的发展需要 IP 授权，中国在独立可控的MCU开发之路上尝试多年，但在架构方面仍然受制于人，要知道ARM授权费用高昂，Arm的License Fee能占到芯片售价的2%-15%，按照50%毛利率来算，能占芯片成本的4%-30%。RISC-V的出现燃起了国产MCU的新希望。

采用RISC-V指令集设计的MCU可让芯片厂商/开发者快速完成低门槛、低成本的芯片设计，并可针对特定应用场景进行定制化指令设计，具有很强的灵活性，另外RISC-V也被认为是长产品寿命的良好平台，可以说RISC-V与MCU是完美结合。

在智能汽车领域， AI 芯片的应用发展已有些时日。“算力越高，车越智能”已成为众多车企都在喊的口号。

汽车在人机交互、视觉处理、智能决策等众多情境下，需要处理大量图片、视频等非结构化数据，对车载算力提出了更高的要求，这时或许会有人拿RISC-V与X86作比较，RISC-V确实精简，不过也可能有人提出疑问：它没有X86稳定的高性能计算能力，面对智能汽车的需求，如何独当一面？

以自动驾驶为例：如今的自动驾驶还主要集中在L2级别，各家企业和新车拼算力，拼的不是当前的“自动驾驶辅助”水平，而是未来几年的“自动驾驶辅助”水平。使用高算力的芯片，相当于在车里预埋了一种能力，以后可以不断的解锁这种能力。一个高性能的芯片，不是现在的刚需，它是未来的一种刚需。要知道，向高性能发展也是RISC-V发展的必然趋势，巧就巧在，RISC-V与智能汽车同属新赛道，AI芯片与智能汽车也在互相推动。

今年年初，英特尔在CES 2022上推出了专为自动驾驶打造的Eye Q Ultra系统集成芯片，但要注意的是，Mobileye EyeQ Ultra 不包含任何x86内核，而是具有12个RISC-V 内核、Arm GPU和DSP。

04 DDR市场格局与国产进展

目前为止，RISC-V 架构的软件生态还不成熟，如何展望它的未来发展？

首先，我们要对 RISC-V 的发展有包容心和战略耐心。x86 架构和 ARM 架构软件生态的完善度也不是一次生成的。x86 架构是上世纪 70 年代末 80 年代初开始发展的，到现在已经有 40 多年的历史。ARM 架构是上世纪的 80 年代末 90 年代初开始发展的，到现在也有 30 多年的历史。打个比喻，如果说 x86 和 ARM 宛如一个成熟的中年人以及青年人，那么 RISC-V 架构还是个小朋友，从它以基金会的形式运营到现在只有 7 年的时间，但是它成长的加速度远超 x86 和 ARM。

现在，RISC-V 除了不支持 Windows、安卓、 iOS 外， Linux 的软件组件基本上是完善的。因此，对于 RISC-V 的长期发展，我们也应该抱有乐观主义。拿ARM来说，它在上世纪 80 年代末推出时也只是一个三级流水线的 DPU，其能力是远远不如当时的 x86。但这并不乏妨碍 ARM 一点一点地发展起来。而 RISC-V 在经营模式上比 ARM 架构更先进、更开放，所以它在加速度上已经体现出了优势。

德勤曾经预测，目前RISC-V架构在近10年内还难以撼动ARM和x86架构的地位，但是预计到2025年，基于RISC-V技术的芯片销量在汽车领域的可服务市场（SAM）有望达到29亿个。

总结

ARM架构和X86架构分别在移动终端、PC和服务器市场垄断多年，在这些领域RISC-V渗透进去还需时日。但是在AIoT、新能源汽车、异构计算等新兴领域，RISC-V和其他架构站在同一起跑线，反而具备一些巨头们不具备的新起跑优势。

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