RISC-V会彻底改变计算吗？

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自「ACM」，谢谢。

微处理器的开放指令集有望重塑计算，并引入新的、更强大的功能。

现代计算机依靠许多元件来提供高速和高性能，但是很少有比一台精简的指令集计算机(通常称为RISC)发挥更大作用的了。尽管指令集体系结构（ISA）具有不同的形状和形式-并且它支持多种系统和设备-但存在一个共同点，与复合指令集计算机（CISC）相比，RISC允许微处理器以更少的每指令周期（CPI）运行。

当然，ISA是计算的核心。加州大学伯克利分校计算机科学教授、ACM A.M.图灵奖获得者戴夫·帕特森（Dave Patterson）说：“这是允许硬件和软件进行通信的基本词汇，他差不多算是创造了这个术语，并开发了早期的RISC计算模型。在过去的几十年里，英特尔和ARM这两大实体基本上控制了ISA。他们的专利微处理器可以从笔记本电脑到云服务器，从智能手机到物联网（IoT）设备的所有设备运行。如今，很难找到没有英特尔或ARM处理器的计算设备。

所有这些都将改变。由Patterson和伯克利大学教授Krste Asanovi'c以及他们的学生构想的一种免费的开放式指令集RISC-V正在颠覆微处理器行业。免税版的ISA于2011年首次亮相，它支持新型，更专业的微处理器设计，这些设计很快将出现在传统计算设备以及可穿戴设备，家用电器，机器人，自动驾驶汽车和工厂设备中。上诉？“ RISC-V以比专有RISC低得多的成本提供了非常高的灵活性。它允许用户生产适合特定应用的定制芯片。”Asanovíc解释说。

以下说明

RISC-V的推出与半导体行业的其他重大变化不谋而合。CMOS晶体管的缩放速度正在放缓，这已不是秘密。即使最近在设计上取得了突破，将密度和性能提升到了新的水平，戈登·摩尔（Gordon Moore）关于每两年将晶体管倍增的长期预测——“摩尔定律”（Moore's Law）也不再成立。随着半导体进展缓慢，而性能需求持续增长，设计更先进的计算设备和燃料创新的能力受到威胁。Patterson解释说：“向前看，逻辑路径是为应用领域的微处理器上的基本指令集添加扩展。”。

RISC-V的吸引力是不可否认的。一个通用的ISA意味着ISA的不同实现和用例可以利用相同的核心软件堆栈，从而最小化移植到编译器、操作系统和其他软件的工作。RISC- v的主要优点不是它是RISC的一个新的变种或迭代，而是它是一个开放的ISA。因此，人们期望该模型将产生将RISC-V置于商业地图上所需的软件堆栈。然而，与此同时，也有一种担忧，即给用户改变ISA的能力将导致RISC-V软件生态系统的分裂。

Asanovíc和Patterson于2010年开始在伯克利的并行计算实验室（Par Lab）研究第五代RISC指令集。该项目的诞生源于对专有ISA缺乏灵活性的失望。Patterson回忆说：“我们无法做一些我们想做的重新搜索。两人瞄准了一个长期存在的行业问题：无法为特定目的定制芯片。这项倡议是基于他们自己的需要。“由于我们无法获得英特尔或ARM使用或修改其专有指令集的许可，我们决定为自己的研究开发自己的指令集，并帮助其他学者的研究。”

这个项目吸引了整个计算机行业的眼球，在微软和英特尔1000万美元的实验室资金和DARPA的额外资金支持下，该项目迅速发展起来。很明显，许多人想要一些类似于Linux微处理器操作系统的东西。人们希望有一个开放的指令集，允许世界上任何人使用开放和通用的词汇表来构建芯片，”Patterson说。2014年，RISC-V正式公开发布，到那时，这个想法已经获得了足够的动力，催生了非盈利的RISC-V基金会(riscv.org)，作为研究、标准和行业合作的交流中心。现在它拥有超过425个成员。

在过去的几年里，RISC-V已经逐渐进入主流计算领域。例如，三星宣布将在其2020年5G智能手机中使用RISC-V内核。这家电子巨头还将开发RISC-V内核，用于人工智能图像传感器、安全管理、人工智能计算和机器控制系统。

其他人也在效仿。Western Digital、NVIDIA和Qualcomm也宣布他们将在固态硬盘(SSD)和硬盘驱动器(HDD)以及用于智能手机和机器学习的图形处理单元(GPU)等应用中使用RISC-V。

减少RISC

RISC-V的吸引力是显而易见的。RISC-V基金会的首席执行官Calista Redmond说:“通过模块化设计，允许用户根据特定的计算需求添加特定的扩展，它开启了完全不同的可能性。”这种设计绕过了一种一刀切的方法，这种方法具有预先包装好的特性和功能，您可能需要，也可能不需要，以及随之而来的性能和能源消耗。同样重要的是，RISC- V从占主导地位的行业巨头英特尔和AMR手中夺取了微处理器的控制权。她补充道:“相反，你有各种各样的供应商，以及随之而来的创新。”

其结果将是为特定任务设计、制造和优化芯片。Asanovíc解释说：“设计中没有限制应用程序域的内容。例如，RISC-V芯片可以用于专注于特定的人工智能任务，如图像识别或机器语言翻译，也可以用于建立跨越几代设备和产品的微控制器框架。这将允许企业绕过未来的研发，以及正在进行的许可和版税要求。“公司可以建立自己的核以满足自己的需求。他们可以更深入地了解核心的运行方式，甚至开发自己的安全功能，”他说。

实际上，许多人预测RISC-V将成为行业标准。尽管RISC-V不会取代专有的RISC，但其自定义扩展名将支持全新的应用程序，功能甚至设备。Asanovi'c说，“不再需要让企业适应芯片的功能。他们将创建满足其特定需求的芯片。” 西北大学计算机与信息科学副教授Abhi Shelat补充说：“就低端处理器的使用和成本而言，由于开源经济学的原因，该芯片可能占主导地位。随着工具链成为标准，它将比使用专有替代品执行许多任务便宜。

处理变更

不出意料，RISC-V也有怀疑者和反对者。批评者认为，该标准可能会在不同类型的RISC-V设备和生态系统之间引入互操作性挑战。随着ISA的不同版本的形成，可能会出现行业分裂和潜在的互操作性问题。此外，与某些类型的设备(如智能手机)的二进制兼容性可能会出现问题。目前，许多应用程序都是按照ARM指令集编写的。同样，该平台可以在某些高端云环境中应对挑战，在高端云环境中，需要大量资源来构建与专有ISA设计相抗衡的系统。

还有一些关于指令集将如何发展的问题，目前还缺乏管理技术的强大工具。RISC-V基金会正在通过协作标准和协议促进进步。然而，成功很大程度上取决于持续的合作。因此，一些行业参与者，特别是那些在开放的ISA范围内损失最大的行业参与者，已经瞄准了这项技术。例如，ARM在2018年6月建立了一个反RISC-V网站。它在上线几天后被撤下，当时ARM的员工反对这一策略。然后ARM在2019年11月宣布，将开放Cortex M cores的专有指令集，以便客户可以调整和定制指令。

然而，RISC-V正在迅速成形。Semico研究公司在2019年11月的一份报告中预测，到2025年，RISC-V CPU内核市场将达到624亿，约占整个CPU内核业务的6%。Semico总裁Jim Feldhan说:“公司正在转向RISC-V解决方案，以满足广泛的性能和产量需求。”通讯、运输和工业设施是RISC-V的特别热门领域。Redmond说:“开发更创新、更高效的芯片的想法非常吸引人。”

安全也可能成为RISC-V的主要卖点。目前，还没有办法确切地知道间谍软件或恶意代码是否已经嵌入到芯片的BIOS级。“今天，微处理器安全是一个黑盒子，”Patterson说。开源方法提供了一些潜在的优势。首先，那些使用RISC-V芯片的人会确切地知道微处理器上发生了什么。其次，用户可以开发指令集扩展，并产生专注于特定安全需求的设计。公司和政府机构可以开发出没有植入间谍软件或恶意软件的芯片。

推动未来

Redmond认为，RISC-V的商业引入填补了计算机行业长期以来的空白。它不仅打破了ARM和Intel现有的ISA双寡头垄断，允许用户掌控自己的命运，还建立了一个开放的框架来推动全球合作和创新。她说：“这一模式在上个世纪已经以许多不同的形式证明了它的成功，从电话、汽车到网络和软件。”“RISC-V代表了该概念的下一个逻辑阶段，它特别适合物联网和日益互联的世界。”

RISC-V的未来无疑是光明的。除了在企业界引起关注外，还有超过十二所大学也加入了RISC-V。不仅研究人员希望开发利基和精品RISC-V芯片来协助他们的学习，包括加州大学伯克利分校在内的学校 ，康奈尔大学麻省理工学院，剑桥大学和中国深圳（北京？）的清华大学已经开始开发与RISC-V的设计，工程和使用有关的教学材料和说明。Redmond解释说：“这为将来更广泛地采用和更广泛地使用该框架埋下了种子。”

所有这些都可能助长半导体行业多年未见的颠覆性发展。Patterson将RISC-V的推出描述为“计算机体系结构的新黄金时代”。西雅图华盛顿大学计算机科学与工程学院副教授迈克尔·泰勒（Michael Taylor）说：“ RISC-V没有严重的技术或实践问题。它将最终取代x86和ARM作为微处理器的主要指令集。它将从根本上改变计算机世界。”

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