文|半導體產業縱橫
近日，RISC-V International首席執行官Calista Redmond在Embedded World上宣布，RISC-V架構內核的出貨量已經達到100億個。這并不是件容易的事情，如今大紅大紫的Arm架構經過了17年反復更迭，到2008年才走到這個里程碑，而RISC-V僅用了12年就實現了。Calista Redmond預計到2025年，RISC-V架構內核的出貨量將達到800億個。
近些年，RISC-V呈現出了越來越好的發展勢頭，這一切都源于其超級精簡的指令集架構（ISA），以及開源的生態系統。
RISC-V是由U.C. Berkeley開發的模塊化RISC指令集。“V”包含兩層含義：一是Berkeley從RISC I開始設計，目前到了第五代指令集架構；二是代表了變化（variation）和向量（vectors）。
不同于x86、Arm架構高昂的IP費用，RISC-V使用BSD開源協議給予使用者很大自由，允許使用者修改和重新發布開源代碼，也允許基于開源代碼開發商業軟件。
RISC-V最大的特點就是簡單，它力圖通過架構的定義使硬件實現足夠簡單。
目前的“RISC-V架構文檔”分為“指令集文檔”（riscv-spec-v2.2.pdf）和“特權架構文檔”（riscv-privileged-v1.10.pdf）。“指令集文檔”的篇幅為145頁，而“特權架構文檔”的篇幅僅為91頁。熟悉體系結構的工程師僅需要1~2天就可以將其通讀，雖然RISC-V的架構文檔還在不斷豐富，但是相比于x86與Arm的架構文檔，RISC-V的篇幅可以說是極其短小精悍。
RISC-V架構還具備后發優勢，經過多年的發展，計算機體系結構已經很成熟，多年來不斷暴露的問題都已經被研究透徹，因此，新的RISC-V架構能夠加以規避，并且沒有背負向后兼容的歷史包袱。
另外，相比于其它成熟的處理器架構，RISC-V的一個重要特點是：它是一個模塊化的架構。因此，RISC-V架構不僅短小精悍，而且不同部分還能以模塊化的方式組織在一起，從而試圖通過一套統一架構滿足各種不同的應用。
這種模塊化是x86與Arm架構所不具備的。以Arm為例，Arm的架構分為A、R和M三個系列，分別針對于Application（應用操作系統）、Real-Time（實時）和Embedded（嵌入式）三個領域，彼此之間并不兼容。
但是，模塊化的RISC-V能夠讓用戶靈活選擇不同的模塊組合，以滿足不同的應用場景，例如，針對小面積、低功耗的嵌入式場景，用戶可以選擇RV32IC組合的指令集，僅使用Machine Mode（機器模式）；而高性能應用操作系統場景則可以選擇RV32IMFDC等指令集，使用Machine Mode（機器模式）與User Mode（用戶模式）兩種模式。而它們的共同部分可以相互兼容。
短小精悍的架構以及模塊化的哲學，使RISC-V的指令數目非常簡潔，基本的RISC-V指令數目僅有40多條，加上其它的模塊化擴展指令，總共也不超過100條。
RISC-V的機遇
無論是Arm，還是RISC-V，其基礎應用領域都是嵌入式系統。不過隨著相關處理器性能的提升，以及應用的發展，它們在高性能計算領域開始展現出優勢，例如，近些年，基于Arm架構的CPU在服務器和PC市場風生水起，并被以蘋果、谷歌、亞馬遜、阿里巴巴為代表的大型科技和互聯網企業重視，相關產品也在蠶食傳統x86架構CPU的市場份額。同理，RISC-V也有類似的機遇，其在以數據中心為代表的高性能計算市場體現出了更多價值。
目前來看，RISC-V在數據中心的應用前景越來越明朗，因為數據中心的整體架構正在朝定制化和異構化的方向發展，具體表現是從單一處理器供應商轉變為由多個供應商（包括系統公司自己的設計團隊）提供的處理器和加速器的混合架構。
之所以要異構，很重要的一個原因是服務器的供電和冷卻機架成本不斷上升，需要更緊密的集成來處理AI / ML應用程序，另外，需要處理的數據量正在大幅增加，再加上邊緣側數據中心的興起，使得整個數據中心行業發生著前所未有的變化。
作為數據中心處理器的霸主，英特爾正在向異構方向發展，其IPU理念整合了CPU、GPU、FPGA和AI，在此基礎上，該公司也很看重RISC-V，過去多年內，英特爾是拒絕向第三方IP開放其處理器架構的，但近兩年，該公司開始允許在其解決方案中集成Arm和RISC-V內核，英特爾還加入了RISC-V International，成為其主要成員。另外，英特爾正在大力推廣其晶圓代工業務（IFS），該公司表示，正在研究與Andes Technology、Esperanto Technologies、SiFive和Ventana Micro Systems等RISC-V系公司的合作，以確保RISC-V能更好地融入IFS制造的芯片，并加快上市時間。
有了英特爾助陣，可以加速RISC-V更快地融入數據中心，雖然目前的商用案例和規模還很有限，但從長遠來看，它為主要芯片供應商的定制奠定了基礎，除了英特爾，英偉達、西部數據等大廠都開始在其處理器或控制器系統中引入RISC-V。有理由相信，基于RISC-V架構的數據中心處理器有望在未來三、四年內普及開來。
另外，異構計算的發展有了更多的制造工藝保障，也就是當下熱議的Chiplet，這對于RISC-V融入數據中心處理器來說，是個很好的時機。像英特爾和AMD這樣的大型處理器廠商正是Chiplet的主要推動力量，再加上以臺積電為代表的晶圓代工廠助陣，數據中心異構計算有很大的發展潛力，這些對RISC-V都是非常有利的。
RISC-V的新進展
過去這些年，RISC-V的發展速度非常快，如前文所述，其出貨量已經達到100億個，這比同期的Arm還快。進入2022年以來，無論是規范的豐富、擴展，還是商業化方面，RISC-V都有新的進展。
今年6月，RISC-V International發布了四項規范和擴展，分別是：RiSC-V高效跟蹤（E-Trace），RISC-V Supervisor二進制接口（SBI），RISC-V統一可擴展固件接口（UEFI）規范，以及RISC-V Zmmul乘法擴展。
E-Trace定義了一種高效的處理器跟蹤方法，非常適合調試從微型嵌入式設計到超級計算機的多種類型應用。E-Trace指定了RISC-V內核和編碼器之間的信號、壓縮的分支跟蹤算法以及用于封裝壓縮分支跟蹤信息的數據包格式。
SBI規范使用處于主管模式（S模式或VS模式）的應用程序二進制接口在硬件平臺和操作系統內核之間構建固件層，它支持跨所有RISC-V操作系統實現的通用平臺服務。目前，已經有多家RISC-V成員在其解決方案中實施了RISC-V SBI規范。
UEFI協議將現有的UEFI標準帶入了RISC-V平臺，該規范的開發和批準由Sunil V L，Ventana Micro和PHILipp Tomsich，VRULL GmbH領導。
RISC-V Zmmul乘法支持需要乘法運算但不需要除法的低成本實現，是RISC-V非特權規范的一部分。Zmmul擴展特別有利于FPGA軟核應用。
除了發布以上四項新規范和擴展，近期，RISC-V在商業化和應用拓展方面也有新進展。
6月初，Microchip宣布支持RISC-V的FPGA（PolarFire SoC）開始量產。該產品利用RISC-V 指令集架構實現了定制功能，與其它方案相比，可以提高電源效率、安全性和可靠性，還具備新功能，如確定性的非對稱多處理（AMP）模式，允許用戶在運行最高效能的實時應用時運行Linux操作系統。同時，該公司的Mi-V生態系統也開始采用RISC-V，Mi-V涵蓋各類IP、硬件、操作系統、中間件、除錯器、編譯器和設計服務，有20多個合作伙伴正在基于該生態系統開展合作。
同樣是在6月，一個由歐洲大學生組成的團隊“拼湊”了一臺名為Monte Cimone的RISC-V超級計算機，其最大特點就是很好地平衡了功耗和性能，展示了RISC-V在高性能計算應用領域的發展潛力。
據悉，Monte Cimone由六臺雙板服務器組成，每個主板都符合行業標準Mini-ITX的外形尺寸（170毫米×170毫米）。每個主板都有一個 SiFive Freedom U740 SoC和16GB的DDR內存，外加一個工作速率為7.8 GB/s的PCIe Gen 3 x8總線、一個千兆以太網端口和USB 3.2 Gen 1接口。每個節點都有一個M2M密鑰擴展插槽，該插槽由操作系統使用的1TB NVME 2280 SSD占用。每個板中插入一個microSD卡，用于UEFI啟動。每個節點集成了兩個250W電源，以支持硬件和未來的PCIe加速器和擴展板。
Monte Cimone的設計理念不是追求絕對的浮點性能，目標不是進入全球超算500強名單，這樣的RISC-V超級計算機瞄準的是低功耗應用領域，當下，類似這樣的系統，在云計算和數據中心，以及邊緣側計算應用領域，有越來越大的施展空間。
結語
無論是嵌入式系統，還是高性能的數據中心應用，RISC-V已經向Arm發起挑戰，且其發展勢頭很猛，這從Arm這幾年的商業策略也可見一斑，Arm主要收入來源就是授權費和版稅，在RISC-V崛起之前，這些費用是不可能免除的，但隨著后者發展勢頭難以阻擋，近兩年，Arm也開始對其客戶減免相關費用了，主要原因就是RISC-V給其施加了不小的壓力。
當下，無論是嵌入式系統，還是以數據中心為代表的高性能計算應用，原本只有x86一個競爭對手的Arm，現在又多了一個RISC-V，競爭會更加激烈。不過，市場空間足夠大，且具有很大的拓展潛力。另外，隨著技術和應用需求的發展，這三者除了競爭之外，融合發展也是一條路，越來越龐大的系統，海量的數據，使企業數據中心要面對越來越大的成本和功耗壓力，這為異構計算提供了很大的發展空間，RISC-V在其中可以發揮更重要的作用。而且，現在有了x86巨頭英特爾的支持，RISC-V的未來會更加明朗。