RISC-V，路在何方？

皋陶

回顾过去几年的集成电路产业里，RISC-V是一个绕不过去的热词。


作为一项以“开源”为卖点的技术，RISC-V自面世以来，就在相对古板的处理器设计领域激起了不小的浪花。


由于RISC-V的开源特性造就了一个相对全面的处理器研究基础，很多对新技术有追求的从业者开始投入到这个阵营当中。


尤其是进入最近两年，因为美国对中兴和华为的制裁，引起了国内对供应链的担忧，为此不少人把RISC-V看作本土处理器的救命稻草。


据RISC-V基金会网站显示，截止到2020年5月8日，RISC-V基金会共有会员193家，其中来自中国大陆地区的会员约为33家（不完全统计），占比为17%，当中不泛华为和中兴微这样的芯片“前辈”，也有嘉楠云智、比特大陆、睿思芯科和芯来科技这些新玩家。


在这些企业的推动下，RISC-V获得了蓬勃发展的态势。


据分析机构Semico Research在去年年底发表的报告，预计到2025年，市场将总共消费624亿个RISC-V CPU内核，其中预计工业领域将是最大的细分市场，拥有167亿个内核。


Semico预测，在包括计算机，消费者，通讯，运输和工业市场在内的细分市场 ，RISC-V CPU内核的复合年增长率（CAGR）在2018年至2025年之间的平均复合年增长率将高达146.2％。


虽然前景被无限看好，那么RISC-V的现状究竟如何？


RISC-V到底开源了什么？

我们很多人在谈RISC-V的时候，基本都说RISC-V是一个开源处理器，这就让不少人就误以为RISC-V处理器都是开源的。


要解析这个问题，我们就得从RISC-V的起源说起。


根据RISC-V基金会的资料，RISC-V起源于伯克利大学的一个研究。


2010年5月，Krste Asanović教授和研究生Yunsup Lee和Andrew Waterman启动了RISC-V指令集。


该指令集是属于UC Berkeley 并行计算实验室（Par Lab）的一部分，而行业大拿David Patterson教授则是该中心的主任。


由于RISC-V ISA本身并不代表任何新技术，因此在任何这些项目中都没有与RISC-V相关的专利申请。


值得一提的是，在Per Lab，还开发了用于设计许多RISC-V处理器的硬件构造语言。


在RISC-V指令集被发明了以后，包括DARPA资助的研究项目计划在内的众多项目开始使用这个指令集。


而在RISC-V的发展过程中，除了DARPA外，还有很多公司都提供了资助。


根据美国政府向大学提供资助的相关规定，允许受资助者将资助工作的研究成果发表在公开文献中，并让全世界的公众都可以使用。


而政府保留使用研究中开发的任何技术的权利。相关规定强调，除非在资助时明确说明，否则不会限制该技术。


基金会还指出，RISC-V 指令集是免费开放的，并具有允许任何人使用的许可证。


设计师可以自由地开发专有的或开源的实现，以用于他们认为合适的商业或其他开发。


但他们强调，使用RISC-V商标需要获得RISC-V International成员的许可，以实现程序的兼容。


因为RISC-V规范虽然是基于一种结构，但该结构可通过模块化扩展和其他自定义指令/扩展实现灵活性。


如果一个实现是基于RISC-V规范的，但如果包括了框架之外的修改，则不能将其称为RISC-V。


回看RISC-V指令集发展历程，根据中国开放指令生态联盟题为《开放指令集与开源芯片发展报告》，


第一版RISC-V指令集在2011年5月发布，该指令集设计非常简单，采用了基础指令集与扩展指令集的方式。


基础指令集只包含了不到 50 条指令，但已经可以用于实现一个具备定点运算和特权模式等基本功能的处理器。


扩展指令集提供了一些常用的原子操作指令、浮点运算指令等，用户也可以需要自身需求进行自定义。


这样，这套指令集既保留了“简单”这个大优点，又赋予了用户足够的灵活性。

伯克利的研究团队在发布时还做了两个重大的决定：

一是将新的指令集命名为 RISC-V（读作 RISC-Five）；


二是将 RISC-V 指令集彻底开放，使用 BSD License 开源协议设计了开源处理器核 Rocket。


伯克利研究团队认为，指令集 ISA 作为软硬件接口的一种说明和描述规范，不应该像 ARM、PowerPC、X86 等指令集那样需要付费授权才能使用，而应该开放（Open）和免费（Free）。


报告进一步指出，伯克利选择的 BSD 开源协议给予使用者很大自由，允许使用者修改和重新发布开源代码，也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。


因此 BSD 开源协议对商业集成很友好，很多的企业在选用开源产品时都会首选 BSD 开源协议。


于是，一套全新的开放指令集 RISC-V 诞生了——全世界任何公司、大学、研究机构与个人都可以开发兼容 RISC-V 指令集的处理器，都可以融入到基于RISC-V 构建的软硬件生态系统，而不需要为指令集付一分钱。


开源≠免费

正如前面所说，使用RISC-V本身的基础ISA是不用钱的。


这和Krste Asanović和David A. Patterson在其于2014年8月发布的一篇题为《Instruction Sets Should Be Free: The Case For RISC-V》的文章中的观点是一致的。


他们在文章中进一步指出，开源指令集体系结构能克服指令集体系专利障碍，实现一个真正免费开放的处理器市场，这就可以获得三方面的好处：


第一，通过自由市场竞争来促进大量创新的产生，当中包括指令集体系结构的开放实现（相对专有实现而言）；


第二，实现贡献的开放处理器核设计，通过设计复用降低成本，缩短上市时间，因为有很多设计者参与和检验，这又减少了设计上的错误。此外，因为设计的透明性，政府机构基于此设置秘密后门变得更加艰难；


第三，处理器价格能够被更多应用所接受，这有利于拓展低价的物联网市场。


开源带来的好处不言而喻，但我们也必须清楚认识到开源≠免费。


在文章前面我们讲到，RISC-V开源的只是ISA，能免费试用的也只是那些基础指令。


但现在市场上的RISC-V IP供应商在做的基本都是经过扩展设计的产品，根据RISC-V基金会的介绍，这些成果当然是可以开源出来，但他们将其做成一个商用产品，这也是没有任何问题的。


为了更详细地解析这一点，我们以Arm的授权模式来举例说明。

首先要说明一下，作为IP市场的龙头，Arm现在的授权模式丰富多样。


Arm的Design Strat计划中已经又大量IP可以针对中小企业再初次流片时免收授权费（License）。


但是在以前，Arm在处理器方面的授权则可以简单概括为架构授权和IP核心授权两种方式。


所谓架构授权，简单而言就是客户拿到了Arm提供的ISA相关的使用说明，你可以开发自己架构的处理器，苹果的A系列就是拿的Arm架构授权；


IP核授权，就是指开发者拿到Arm开发好的核心（例如Cortex-A系列），然后开发者将其嵌入到其SoC中，如华为麒麟系列就是采用这种授权模式。


值得一提的是，无论是那种授权模式，最后芯片厂在出货芯片的时候，都需要上交版权税（Royalty），这就是Arm的收入构成。


而来到RISC-V上面，现在的厂商基本除了架构授权以外，其他IP厂商所使用的营业方式，都被RISC-V采用了。


从当前看来，RISC-V阵营的类似Design-Service企业给客户定制相关RISC-V芯片，给企业带来的营收是最直接的，也是最立竿见影的。


这也是过去几年里，国内RISC-V芯片发布能密集出现的一个原因。


芯片公司是如何看待RISC-V？

作为一种架构，RISC-V的客户基本上都是芯片公司或者是想使用RISC-V芯片的系统厂商。


对于RISC-V的感受如何？问他们是最合适的。


为此就这个问题咨询了矽昌通信创始人李兴仁先生。

李兴仁回应道，开源的特性是RISC-V本身最有利的武器。RISC-V指令集架构的开源的特性使得芯片产品的验证能够解决个人\公司和政府关注的安全和可靠性问题，还可以通过缩减芯片面积，降低制造成本，实现低功耗的微处理器，也可以用于实现高性能的应用处理器。


他进一步指出，通过RISC-V,全球可以创建一个充满活力的生态系统，集合设计、工具、硬件、软件等，以经济高效的方式进入迅速发展的新兴市场。


而RISC-V的开源生态一旦建立，将会对芯片设计行业产生有力的推动作用，芯片厂商作为受益者的同时， 由于开源特性， 又反过来为RISC-V本身的发展提供了良好的验证和支持，共同进步。


同时， RISC-V支持chisel，一种敏捷的硬件构造语言，相比与传统的verilog， 大大降低开发周期.李兴仁表示。


他同时强调，RISC-V当前还面临着几方面的问题：


首先是性能差距；


以RISC-V的领军公司sifive来说,其最新的RISC-V cpu u8系列(2019.10.24发布), 与Arm Cortex-A72相比，是在性能上仅仅是具有可比性(同时提供1.5倍的功耗效率，并且面积只有A72的一半)。


需要注意到, 目前sifive官方网站的cpu ip授权只支持到u7系列,还暂未看到u8的身影, 而arm a72则是2016年就已经上市的经过了市场验证的成熟芯片。


其次是工具差距；


从李兴仁的介绍我们得知，芯片的设计离不开优秀的工具。


作为RISC-V开发者推崇的chisel语言则在配套工具上还与主流芯片设计和验证工具上有很大差距，chisel没有EDA工具支持。


换而言之,通过chisel设计的芯片目前无法直接生成硬件电路,只能通过firrtl编译器,先生成firrtl文件,再生产verilog,才能生成最终的电路.


第三，软件和DSP的差距；


李兴仁告诉半导体行业观察记者，芯片的性能离不开针对的软件优化和DSP加速。


由于RISC-V刚刚启动(RISC-V架构于2017.7.1合入linux), 无论是编译工具链还是针对图像\音频等处理的dsp生产测试的工具还远未成熟。


那就意味着基于底层架构的优化都还有很长的路要走。


最后，市场预期的差距。


从数据看来，arm还拥有大部分的市场份额，相比而言RISC-V仍处于起步阶段。


虽然已有一些量产芯片，但在人们心中的预期仍有巨大差距，甚至有人认为RISC-V只是用于高校学习使用，难以进行商用。


“目前已经有许多的公司\团体基于RISC-V指令集设计了处理器/SoC,并将代码进行了开源,但这些厂商开源的处理器都只是很少的一部分,而且是相对结构简单的一部分。


仅仅适用于交流学习,难以进行商用。


对于商用处理器的支持,还是像arm一样收取IP费用，这种方式虽然无可厚非，但其实并不利于RISC-V整体的发展。


目前RISC-V相比与arm无论是技术上还是市场上都有很大的差距,固步自封实在不适于当前的环境。”李兴仁补充说。


而关于RISC-V的短板，半导体行业观察特约记者李飞在其文章《ARM的免费IP战略，能否撼动RISC-V的根基？》中也谈到。


他指出，RISC-V目前还仅仅专注于处理器领域，而ARM除了处理器之外还有GPU、ISP、片上互联IP等等一系列IP。


换句话说，用ARM你可以直接做出一整个SoC，而用RISC-V的话仅仅只能做处理器，还没法涵盖其他IP。


未来应如何发展？

谈到对RISC-V未来的时候，李兴仁表示，他本身非常看好RISC-V的开源前景,矽昌的团队也正在基于RISC-V架构进行CPU设计,并计划将其加入到公司后续的产品中去。


李兴仁同时表示，如果能够成功量产包含RISC-V的芯片,公司会义不容辞的将其设计进行开源，帮助更多的人无论是学习还是使用,只要大家都遵守BSD协议就可以。


“但是,我其实更希望那些专注与RISC-V处理器及生态构建的公司来进行能承担起这样的责任,将自己已经拥有的CPU设计开源给大家学习使用，”李兴仁强调。


他进一步指出，RISC-V目前只有在一些低频低功耗的简单场景有一些应用，但高端市场依然是arm的天下,就连能够支持linux(无论芯片还是软件工具链等)也都是近些年的事。


“为此想要借助RISC-V真正的盈利,就必须先构建起整个从软件到硬件,从设计到工具的整个完整的生态系统,这就需要吸引更多的公司和人才加入研究。”李兴仁补充说。


在他看来，在当前的情况下, 大家都需要无私分享每一步的成功,共同进步才是打造RISC-V生态的最好方法。


RISC-V本身潜力无限, 切莫被当前的小利冲昏头脑。


根据今天最新的消息，赛昉科技推出了“满天芯”计划，这一积极的开放举措回归了开源的“初心”，将有利于吸引更多的人才和公司投入研究。


这也是对李兴仁先生担心的积极回应，希望后续有更多企业能响应这一举措，共同推进RISC V生态的进一步发展。


探讨RISC-V的未来，除了技术和生态要发展之外，作为一种商业行为，RISC-V更需要考虑的是如何盈利。


虽然如上文所示，传统IP厂商能够挣钱的方式，RISC-V阵型也可以参考，但纵观当前的RISC-V阵营，他们似乎在营收方面也表现不佳。


当然这与RISC-V刚起步有关。


但纵观当前IP营收榜单的排名，过去多年里，Arm几乎都是囊括了近半的IP营收，对于后进者RISC-V来说，如何突破这个困境，是必须要思考的点。


针对这个问题，电子科技大学副教授黄乐天副教授则从Linux的开源经营模式，对RISC-V未来的盈利方式给了一些参考。


他指出，开源软件的盈利模式有软件即服务、付费支持、双重许可和附属产品这四种。


总结来说，开源软件盈利最重要的思想便是利用开源软件使用门槛低带来的大量客户需求，由于软件的开源特性，就会有大量客户因为其免费使用、便于二次开发等的特点接触到开源软件。


随着使用的深入，会产生更多普通开源版本无法满足的需求。


在大量客户需求的基础上，开发者通过销售开源软件服务、企业级技术支持、商业许可及附属产品便能有良好的盈利效果。


“对RISC-V来说，也可以参考开源软件的这种运营方式，通过卖服务、付费支持、双重许可和附属产品来盈利，”黄乐天说。


所谓卖服务，就是像软件即服务一样卖IP服务，那么应该是提供各种“个性化”的IP服务，在功能上存在差异性。


因此这种方式本质是在卖“设计服务”，通过将开源IP定制为客户提供多样化的需求服务。


在之前，某些RISC-V的IP提供商是考虑过这样的经营方式。


但是这样做下来人力成本太高，而IP定制化的需求并非想想中的那么大。因此依靠卖服务不足以支持企业生存。


而付费支持，则是针对硬件本身存在的制造成本天然的就造成开源硬件相比开源软件使用门槛更高，对于稳定性、安全性的要求也更高而延伸出来的业务。


因此通过企业级技术支持、培训等额外技术服务手段盈利的市场相对于开源软件更大。


同时开源硬件的故障率、试错成本相对于开源软件也更高，带来了更多的支持需求。


“但在前面讨论软件的付费支持的情况一致，开源硬件本身应该有不得不用的理由或者说吸引大家使用的理由。


否则使用者完全可以选择闭源的商用IP而不必为开源IP变为商业级IP所多出来的这部分成本买单。”黄乐天指出。


至于双重许可， 具体而言就是通过开源评估版的RISC-V处理器内核IP，增加大量客户需求，如有商业需求，则需付费使用正式版内核IP（大规模量产时缴纳版税）。


在这种模式下，使用评估版不用花钱，但正式版一旦商用则必须付费。


但黄乐天认为，这一方式的问题是和开源与否关系不大。


例如Arm现在改革了新的授权方式以后，也实质上也变成了双重许可制。


这一模式是否能成功其实和付费支持所面临的问题一样。


至于附属产品，则可以是出售相关技术书籍和RISC-V开发板以及为了RISC-V而推出的配套培训课程等产品都属于这种模式。


黄乐天指出，销售开源硬件附属产品，用户购买的需求主要是学习，通过阅读相关书籍可以更好地理解硬件原理，而通过使用开发板则可以更好地学习如何将开源硬件应用到实际的工程中。


“RISC-V的开源无论是否已经成为了一种“噱头”，但其确实给了很多人以学习处理器IP设计的机会。


因此依靠附属产品来赚取培训、学习甚至技术支持的钱，是最为现实的。


但这部分的钱毕竟太少了，依靠这部分的钱也就可以养活几个“个体”技术人员，绝对养活不了成规模的公司。”黄乐天补充说。


“对比开源软件的赚钱方法，开源硬件的钱其实要更难赚一些。


开源软件可以依靠较低的试错成本，让目标客户先行使用再通过其它的服务来进行收费。


而开源硬件由于试错成本较高，所以很难走这条路线。


而当客户因为安全性和稳定性需要购买商业级的IP时，为何不购去买闭源的商业级IP又成了绕不过去的问题。”黄乐天强调。


他进一步指出，RISC-V的出现，确实时为了处理器IP发展提供了一种新的可能。


但是IP的商业化运营是否能成功，目前看来还缺乏合理又普适的商业逻辑。


“我一直希望有人能比较直观的给我解释清楚这个商业逻辑，但目前还没有看到满意的回答。也许是我理解水平太低或者说他们有自己秘而不宣的“独门秘籍”吧？”黄乐天最后微笑的补充道。


后记

在RISC-V面世以后，很多人将他们看作Arm的挑战者，国内不少人更是在当前的中美局势下，把RISC-V看作中国处理器的救世主。


但从这几年的运营看来，RISC-V在一些垂直、且对系统和生态没有太强硬需求的市场，可以成为Arm不可忽视的对手，而这也的确在发生。


但在手机、平板等市场，因为系统、软件和生态的成熟，对于RISC-V来说，是很难撼动其江山。


但有一个厂商也许例外，那就是苹果。


据某从事RISC-V芯片的行业专家告诉笔者，苹果拥有一套闭环的生态和硬件。


他们未来转向RISC-V也是一个有潜在可能性的事情。


文章《ARM的免费IP战略，能否撼动RISC-V的根基？》中指出，在水平方向，RISC-V IP必须在已有的IP产品中做差异化，例如更灵活的定制化和更快的交付周期等。


举例来说，ARM的核心只能提供有限种性能／功耗／面积的组合，而RISC-V IP如果能提供更多灵活性，


让用户根据自己的需求去提交定制化的性能指标，


而IP提供者则能利用敏捷设计等工具快速交付精确符合用户需求的定制化RISC-V IP，


这将可能成为RISC-V相对ARM的重要差异化方向（即对于同一个目标市场，ARM可以提供有限种IP解决方案，而RISC-V则可以提供近乎无限种根据用户需求定制的IP）。


而从垂直角度上来说，则是需要RISC-V IP公司能够去开拓更多的市场。


如之前所讨论的，RISC-V IP目前大多数应用仍然是辅助核。


如果RISC-V IP公司能开拓更多的市场，我们才能看到RISC-V真正走进主流。


把垂直以及水平结合起来，我们认为RISC-V IP未来的方向应当是开拓更多的市场，并且在每一个细分市场以差异化的方法（例如定制化设计）去走和ARM有所区别的路线，这样才能让RISC-V IP走向下一个阶段。


但从另一个角度看，对于RISC-V来说，他们最成功的之处也许不是和Arm在IP授权搞竞争，而是他们的出现，让华为、小米、格力和美的这样的系统厂商有了一个新选择。


在现在的物联网世界里，他们可以定制RISC-V芯片，从而绕开了Arm的授权费和Roylty。


节约成本的同时，在Arm之外为自己的芯片保留一条“备份”的技术路线。


这也许会是RISC-V最重要的意义所在。