2018年2月美國(guó)新創(chuàng)業(yè)者SiFive(圖1)發(fā)表Freedom U500芯片的技術(shù)細(xì)節(jié)，同月份法國(guó)新創(chuàng)芯片商GreenWave也發(fā)表GAP8芯片，加上后續(xù)相關(guān)消息，如臺(tái)灣晶心科技(Andes)推出AndeSatr V5矽智財(cái)(Intellectual Property, IP)及英特爾(Intel)投資SiFive等，使RISC-V指令集架構(gòu)(Instruction Set Architecture, ISA)逐漸受業(yè)界關(guān)注。

圖1 SiFive共同創(chuàng)辦人兼技術(shù)長(zhǎng)的Yunsup Lee在2013年于柏克萊分校的Par實(shí)驗(yàn)室手持RISC-V原型品芯片。圖片來(lái)源：維基百科

在上述消息之前，已有多家科技大廠表明力挺RISC-V，包含三星(Samsung)、NVIDIA、威騰(Western Digital, WD)等，對(duì)此業(yè)界已有零星關(guān)注，但隨著芯片更貼近商業(yè)化運(yùn)用，關(guān)注度開(kāi)始提高。RISC-V指令集架構(gòu)為何？為何逐漸獲科技大廠與新創(chuàng)業(yè)者的支持？本文以下將對(duì)此剖析討論。

英特爾/Arm為專屬指令集架構(gòu)

RISC-V是一種開(kāi)放原始程式碼的指令集架構(gòu)，其實(shí)過(guò)去業(yè)界很長(zhǎng)一段時(shí)間僅稱為指令集(Instruction Set)，但或許為了湊成可縮寫(xiě)的三個(gè)字母而加補(bǔ)上架構(gòu)(Architecture, A)一字。

指令集指的是一堆組合語(yǔ)言(芯片上最基本原始的語(yǔ)言)指令的集合，一套指令集是由少則數(shù)十個(gè)，多則上百個(gè)指令所集合成，若一顆微控制器、微處理芯片可執(zhí)行該套指令集，而另一顆也可支援執(zhí)行相同一套指令集，如此原則上軟體(軟體即是由指令搭組建構(gòu)成)即不需任何改寫(xiě)，可自由在兩顆芯片間替換運(yùn)用。

同理，芯片商推出新一代效能更佳的芯片，通常會(huì)采行與前一代相同的指令集，或完全相容但再加入新的指令，好確保諸多已開(kāi)發(fā)的軟體不需要改寫(xiě)而能相容執(zhí)行保障客戶過(guò)往的軟體開(kāi)發(fā)投資、購(gòu)買投資，且執(zhí)行的更快。

目前市售的芯片中，多數(shù)采英特爾或Arm(Arm)的指令集架構(gòu)，英特爾的指令集架構(gòu)一般稱為x86(過(guò)去為8086、80286、80386、80486等以86編號(hào)為結(jié)尾的系列芯片所用)、IA(Intel Architecture)、IA-32(1982年至2003年間為32位元)、EM64T(Extended Memory 64 Technology)或AMD64/x86-64/x64(64位元版以超微AMD率先主導(dǎo))等。Arm則直接稱為Arm指令集架構(gòu)。

Intel與Arm的指令集架構(gòu)均屬業(yè)者自有專屬設(shè)計(jì)的專利架構(gòu)，須付費(fèi)才能使用，Intel的ISA多要購(gòu)買該公司銷售的CPU芯片才能取得；Arm的ISA則采間接銷售，芯片商欲采行其ISA須先支付一筆一次性的技術(shù)授權(quán)費(fèi)，而后每生產(chǎn)一顆芯片均會(huì)被Arm收取權(quán)利金。

Intel的x86 ISA芯片在PC、工作站、伺服器、超級(jí)電腦等領(lǐng)域有壓倒性的主占，因此價(jià)格長(zhǎng)期居高，系統(tǒng)商、終端消費(fèi)者必須負(fù)擔(dān)其成本，雖有少數(shù)芯片商也能生產(chǎn)銷售x86 ISA芯片，但價(jià)格效能比或供貨上多不若Intel，且有諸多限制，如AMD雖可使用x86 ISA，但若之后該公司被購(gòu)并，則x86 ISA專利使用權(quán)必須重談，或其他芯片商雖也產(chǎn)制x86相容芯片，但卻必須支付年專利使用費(fèi)給IBM，以避開(kāi)Intel可能的訴訟。

而Arm方面，Arm的ISA在行動(dòng)裝置芯片領(lǐng)域有壓倒性市占，并持續(xù)擴(kuò)展到各類嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。Arm在授權(quán)上提供軟核與硬核形式的授權(quán)，軟核可取得指令集架構(gòu)，硬核則只能取得已用某一半導(dǎo)體制程技術(shù)實(shí)現(xiàn)成的晶圓電路。

Arm方面傾向提供硬核授權(quán)，好避免核心技術(shù)外泄，但部份重量級(jí)業(yè)者有獲得軟核授權(quán)，如高通(Qualcomm)，另外一般推測(cè)蘋(píng)果(Apple)、Samsung等也在其列。而根據(jù)GreenWave受訪表示，想取得軟核授權(quán)至少要1,500萬(wàn)美元，且僅為時(shí)間性使用，到期必須重談授權(quán)。

由于一旦有諸多芯片或諸多軟體采行某一ISA，該ISA的技術(shù)生態(tài)日趨完整強(qiáng)健，則ISA架構(gòu)的擁有者日后被視為可輕松坐享利潤(rùn)，芯片商(無(wú)ISA自主性的芯片商) 、系統(tǒng)商、終端用戶均將受害。為此2010年學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)界共同發(fā)起成立RISC-V基金會(huì)，持續(xù)推行開(kāi)放技術(shù)細(xì)節(jié)且免費(fèi)技術(shù)授權(quán)的ISA。

開(kāi)放且免費(fèi)授權(quán)，從資訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)另一關(guān)鍵組件作業(yè)系統(tǒng)來(lái)看早已朝此模式發(fā)展，早期的作業(yè)系統(tǒng)是電腦系統(tǒng)商隨自家硬體而搭配開(kāi)發(fā)成，并隨硬體銷售一同出貨，如IBM大型主機(jī)。之后IBM急于切入PC市場(chǎng)，采行微軟(Microsoft)的作業(yè)系統(tǒng)，之后開(kāi)啟作業(yè)系統(tǒng)跨不同系統(tǒng)商的純軟體商業(yè)授權(quán)模式，但作業(yè)系統(tǒng)的程式碼仍由Microsoft專屬擁有，更之后Linux興起，程式碼開(kāi)放且免費(fèi)授權(quán)使用。

將此發(fā)展歷程對(duì)應(yīng)到ISA，Intel的ISA是隨自家芯片一同出貨，Arm則是跨芯片商授權(quán)其ISA，但均為專屬封閉且收費(fèi)，而RISC-V試圖仿效Linux，采開(kāi)放且免費(fèi)的方式發(fā)展。

RISC-V采BSD授權(quán)

RISC-V雖采開(kāi)放免費(fèi)路線，但某些地方不同于其他開(kāi)放原始程式碼的矽智財(cái)專案，例如它有自己的硬體描述語(yǔ)言(HDL)，即Chisel(Constructing Hardware In a Scala Embedded Language) ，從全寫(xiě)可以了解它是以Scala語(yǔ)言為基礎(chǔ)所發(fā)展成，Chisel也采開(kāi)放原碼政策。相對(duì)于此一般普遍使用的硬體描述語(yǔ)言多采Verilog，不過(guò)有工具可以將Chisel開(kāi)發(fā)出的電路轉(zhuǎn)換成Verilog格式，而后再修改其設(shè)計(jì)，或與其他電路整合。

RISC-V在授權(quán)上采BSD授權(quán)，而不是開(kāi)放原碼軟體常見(jiàn)的GPL授權(quán)，若采GPL授權(quán)，則延伸開(kāi)發(fā)的成果也必須采行GPL授權(quán)，必須開(kāi)放其原始程式碼(大陸稱原碼、源代碼)，但許多業(yè)者希望保有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，將自有開(kāi)發(fā)的程式視為商業(yè)機(jī)密而不愿開(kāi)放，事實(shí)上Android也是因此對(duì)Linux核心進(jìn)行改寫(xiě)，使采行Android作業(yè)系統(tǒng)的硬體商不需要開(kāi)放其驅(qū)動(dòng)程式，保有其機(jī)密，方獲得眾多手機(jī)業(yè)者支持Android。

但BSD不同，BSD允許使用其開(kāi)放成果，但延伸發(fā)展成的軟體不需要開(kāi)放，明顯較GPL授權(quán)大方。至于在編譯器、相關(guān)軟體支援上，則已有g(shù)cc/glibc/GDB、LLVM/Clang、Linux、Yocto、Verification Suite等軟體。

RISC-V立意雖佳，但若實(shí)際開(kāi)發(fā)出的芯片表現(xiàn)不佳，則依然難與商業(yè)性ISA抗衡，對(duì)此RISC-V的主導(dǎo)學(xué)術(shù)單位加州大學(xué)柏克萊分校(UC Berkeley)開(kāi)發(fā)了一顆名為火箭(Rocket)的RISC-V芯片，并刻意選擇與相同制程(臺(tái)積電28nm)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的Arm核心(Cortex-A5)進(jìn)行比較(圖2)。

圖2 Rocket核心與Cortex-A5技術(shù)特性比較。資料來(lái)源：SiFive官網(wǎng)

首先比較時(shí)鐘頻率，兩者均可達(dá)1GHz以上，視為平手；在效能上RISC-V Rocket可達(dá)1.72DMIPS/MHz，約較Arm Cortex-A5高出一成；在排除快取記憶體外，執(zhí)行核心所占的晶圓面積上，RISC-V Rocket只要0.14平方公厘，只有Cortex-A5的一半，即便兩者均含了16KB容量的快取記憶體，依然只有A5的七成；而以每平方公厘、每赫茲所能產(chǎn)生的效能Rocket也達(dá)A5的1.5倍；在功耗表現(xiàn)上Rocket則是A5的四成左右。

不過(guò)此一比較仍稍有立足點(diǎn)的不同，Rocket采行64位元架構(gòu)，但RISC-V亦有32位元架構(gòu)版，若兩者均采行32位元版或均采行64位元版，或許可以更公允比較。除Rocket外，后續(xù)也有ORCA、PULPino等8、9個(gè)實(shí)作核心，前述的GAP8即是根基于PULPino所發(fā)展成。

RISC-V除了有MCU/CPU核心技術(shù)外，也積極發(fā)展核心所需的連接介面電路技術(shù)，即TileLink，理由是Arm在核心技術(shù)外也布局核心間或核心與周邊間所需的介面技術(shù)與協(xié)定，因而有AMBA協(xié)定、ASB匯流排、APB匯流排等，后續(xù)也擴(kuò)展延伸發(fā)展出AHB、ATB、AXI、ACE、CHI等介面。

RISC-V非第一例開(kāi)放專案

RISC-V雖是近期漸受關(guān)注的開(kāi)放硬體專案，但卻不是唯一或最早的專案，此前已有OpenRISC、OpenSPARC等，不過(guò)這類專案在發(fā)起后遭遇一些發(fā)展限制，OpenRISC架構(gòu)老舊、發(fā)展緩慢、64位元版的架構(gòu)不夠成熟，OpenSPARC則來(lái)自逐漸喪失價(jià)格效能比優(yōu)勢(shì)的UltraSAPRC，開(kāi)放后的社群并不活躍(圖3)。

圖3 SPARC V8、OpenRISC、RISC-V三者特性比較，SPARC v9的64位元定址為專屬技術(shù)，沒(méi)有開(kāi)放。

另外有些專案則過(guò)于學(xué)術(shù)，理論功效上可運(yùn)作，但在落實(shí)成實(shí)際電路時(shí)，則不易提升效能、減少功耗、減少晶圓面積等，或有的專案不易導(dǎo)入現(xiàn)行其他ISA已具備的軟體資產(chǎn)(驅(qū)動(dòng)程式、范例程式、應(yīng)用程式等)，重新編譯與改寫(xiě)具困難性。

上述這些，RISC-V成立之初已斟酌考慮，從零開(kāi)始的新架構(gòu)規(guī)劃定義，必須能貼近商業(yè)化落實(shí)，也方便導(dǎo)引現(xiàn)行其他ISA的軟體資產(chǎn)，所以成立之初已有多家半導(dǎo)體業(yè)界大廠共同參與，并確保社群發(fā)展能量。

值得一提的是，專屬架構(gòu)的芯片商近年來(lái)態(tài)度轉(zhuǎn)變，不再只銷售完整芯片，也開(kāi)始仿效Arm的商業(yè)模式，允許授權(quán)芯片核心技術(shù)供人再開(kāi)發(fā)運(yùn)用，如Intel于2008年與臺(tái)積電合作開(kāi)放x86核心授權(quán)，允許其他業(yè)者以x86架構(gòu)發(fā)展自有芯片，或NVIDIA于2013年開(kāi)放其GPU核心授權(quán)等，不過(guò)這類的授權(quán)，其ISA專利與后續(xù)發(fā)展走向仍是由芯片商主導(dǎo)，而非共同參與制訂，此一衍生業(yè)務(wù)至今未大幅開(kāi)展。

IoT/AI均適用RISC-V

一套ISA技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)可以成功，必須在技術(shù)特性、規(guī)模用量方面取得優(yōu)勢(shì)，如x86 ISA由于價(jià)格效能比最佳，且自PC獲得大規(guī)模采用，而Arm則以低功耗、每瓦效能比佳，因而在手機(jī)等行動(dòng)裝置、嵌入式裝置上獲得大規(guī)模采用。因此RISC-V也盡可能讓ISA的適用性最大化，因此同時(shí)制訂32位元、64位元架構(gòu)，定址方式也廣泛支援16/32/64/128位元定址。

而在實(shí)際發(fā)展上，確實(shí)各類型應(yīng)用均在發(fā)展中，前述的GreenWave發(fā)展的GAP8芯片即是鎖定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，使用臺(tái)積電55LP(Low-Power)制程，目標(biāo)市場(chǎng)與Arm Cortex-M0~M7近同。而WD投資的Esperanto Tech公司，則是使用RISC-V發(fā)展人工智慧(AI)用芯片，以64位元架構(gòu)為主，發(fā)展16個(gè)核心的ET-Maxion與4,096個(gè)核心的ET-Minion，預(yù)計(jì)使用臺(tái)積電7納米制程。

此外FPGA芯片商MicroSemi也提出RV32IM的RISC-V軟核技術(shù)，使芯片開(kāi)發(fā)者初期用FPGA芯片評(píng)估與模擬設(shè)計(jì)后，日后若想投片成商業(yè)化量產(chǎn)芯片，可避免核心授權(quán)的成本問(wèn)題，過(guò)去若采Arm核心發(fā)展，則有授權(quán)費(fèi)、權(quán)利金等顧慮。

另外也有業(yè)者試圖以RISC-V架構(gòu)但采行與Arm相同的矽智財(cái)授權(quán)模式，如前述的SiFive與Andes，SiFive推出32位元(RV32)的E31核心與64位元(RV64)的E51核心，均采28納米制程。前者鎖定Cortex-M3、M4類同的應(yīng)用市場(chǎng)，后者與Cortex-A53近似定位。不過(guò)E31、E51不支援Linux，然Linux在嵌入式領(lǐng)域受廣泛運(yùn)用，為此SiFive也提出U54/U54-MC(RV64GC)核心，可支援Linux(圖4)。

圖4 SiFive推出支援Linux的RISC-V核心U54-MC。資料來(lái)源：fossbytes.com

而Andes方面則提出AndeStar v5架構(gòu)(即根基于RISC-V)，包含32位元的N25核心與64位元的NX25核心，同樣均采28納米HPC制程，并強(qiáng)調(diào)只需要極少的邏輯閘就可實(shí)現(xiàn)，N25只需3萬(wàn)個(gè)邏輯閘，NX25則為5萬(wàn)個(gè)。邏輯閘用量愈少，所需要晶圓面積也愈少，意味著可用更低廉的成本實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)芯片，CEVA亦有僅使用2萬(wàn)個(gè)不到的邏輯閘便實(shí)現(xiàn)的32位元RISC-V( RV32IMC)，并設(shè)定用于藍(lán)牙、Wi-Fi收發(fā)器芯片內(nèi)。

此外，雖是基于RISC-V，但Andes仍對(duì)其進(jìn)行各種強(qiáng)化，例如運(yùn)用自定指令使程式碼的占量減少10%，如此可降低程式記憶體需求；或加速中斷發(fā)生時(shí)的即時(shí)處理速度，更適合即時(shí)性應(yīng)用；或?qū)Χ询B進(jìn)行保護(hù)，可防止運(yùn)作失?；驕p少資安問(wèn)題。

RISC-V會(huì)員陣容堅(jiān)強(qiáng)

有關(guān)大廠采行RISC-V已有諸多報(bào)導(dǎo)，在此僅快速帶過(guò)，如NVIDIA的GeForce繪圖處理器(GPU)內(nèi)有鷹(FAst Logic CONtroller, Falcon)控制器，新款的Falcon將采行RISC -V架構(gòu)，Samsung也將在自家行動(dòng)芯片內(nèi)使用，WD也將在多款芯片內(nèi)使用。上述業(yè)者之所以大力擁抱RISC-V原因無(wú)它，這些業(yè)者均大量采行或銷售芯片，過(guò)往采Arm核心需支付龐大的技術(shù)使用費(fèi)，若改行RISC-V將可省下大筆花費(fèi)。

政府方面則有美國(guó)DARPA資助商業(yè)公司發(fā)展基于RISC-V架構(gòu)用的航太設(shè)備芯片，印度政府也大力擁抱RISC-V；學(xué)術(shù)單位則有35所大學(xué)加入，其中不乏名校，如麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)等(圖5)。

圖5 RISC-V基金會(huì)成員，會(huì)員分成兩個(gè)層次：Platinum或Gold, Silver & Auditor Members  資料來(lái)源：SemiWiki.com

商業(yè)模式轉(zhuǎn)變成最大隱憂

RISC-V目前為止看似順利發(fā)展，但其實(shí)已有若干隱憂顯現(xiàn)，一是RISC-V允許采行者自行延伸擴(kuò)充定義指令，若各行其是將使軟體相容性產(chǎn)生分裂，而使已居落后位置的軟體生態(tài)系統(tǒng)更難凝聚力量發(fā)展。

另一是新創(chuàng)業(yè)者的商業(yè)模式轉(zhuǎn)變，以前述的SiFive為例，原期望的商業(yè)模式為，基于免費(fèi)的RISC-V架構(gòu)，接受客戶的客制委托設(shè)計(jì)，并收取設(shè)計(jì)費(fèi)用，但之后轉(zhuǎn)變成對(duì)已開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的核心收取費(fèi)用，如E31收取30萬(wàn)美元，E51收取60萬(wàn)美元(Andes的64位元版則宣稱不到100萬(wàn)美元)。

SiFive的授權(quán)仍是比Arm大方，30萬(wàn)、60萬(wàn)美元為一次性費(fèi)用，Arm則是除一次性費(fèi)用外也對(duì)每顆芯片收取權(quán)利金，且RISC-V仍有修改、換用的自由彈性，然SiFive轉(zhuǎn)向與Arm雷同的路線，也讓人擔(dān)心是否已有違RISC-V的推行初衷。

此外，過(guò)往開(kāi)放原碼軟體的發(fā)展，除了遭遇社群不活躍的困阻外，后續(xù)發(fā)展路線的爭(zhēng)議，或分道揚(yáng)鑣發(fā)展，或仍專注發(fā)展但路線逐漸偏離初衷或商業(yè)價(jià)值等均時(shí)有所聞，這些也都可能發(fā)生在RISC-V專案上。

最后，臺(tái)廠對(duì)于RISC-V亦抱持高度興趣，視此為新發(fā)展機(jī)會(huì)，如TSMC可獲得更多新創(chuàng)芯片業(yè)者的投單外；Andes也不固守自有專屬核心架構(gòu)而擁抱RISC-V ，即便架構(gòu)不相容亦不放棄新機(jī)；聯(lián)發(fā)科技(MediaTek, MTK)同樣加入RSIC-V基金會(huì)；芯片設(shè)計(jì)服務(wù)商智原科技(Faraday)也對(duì)新發(fā)展抱持期待。